KR20230117361A - 사전 결정된 배향을 갖는 에너지 전파를 이용한 에너지 릴레이 - Google Patents
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Abstract
에너지 릴레이들은 다양한 표면 프로파일을 갖도록 형성될 수 있다. 다양한 에너지 릴레이 표면 프로파일을 처리하도록 구성된 에너지 전파 경로들을 갖는 에너지 릴레이들을 형성하여 에너지 릴레이들이 원하는 각도 프로파일들 및 각도 범위를 갖는 에너지 릴레이들의 표면을 통해 에너지를 지향시킬 수 있는 방법 및 장치가 개시된다.
Description
본 개시내용은 일반적으로 에너지 릴레이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사전 결정된 배향을 갖는 에너지 전파 경로들이 내부에 획정된 에너지 릴레이에 관한 것이다.
진 로덴베리(Gene Roddenberry)의 스타 트렉(Star Trek)에 의해 대중화되고 1900년대 초에 작가인 알렉산더 모츠코프스키(Alexander Moszkowski)에 의해 처음 구상되었던 "홀로덱(holodeck)" 챔버 내에서의 인터랙티브 가상 세계(interactive virtual world)의 꿈은 거의 한 세기 동안 과학 소설과 기술 혁신에 영감을 주었다. 그러나, 문학, 미디어, 및 어린이와 성인 모두의 집단적 상상력 외에는 이 경험의 설득력 있는 구현예는 존재하지 않는다.
일 실시예에서, 에너지 릴레이는 제1 릴레이 표면과 제2 릴레이 표면을 갖는 에너지 릴레이 요소 및 이들 사이에 복수의 에너지 전파 경로를 포함한다. 에너지 전파 경로들은 사전 결정된 배향을 가지며, 에너지 전파 경로들의 사전 결정된 배향 및 제1 또는 제2 릴레이 표면 중 적어도 하나의 프로파일은 에너지가 제1 또는 제2 릴레이 중 적어도 하나를 통해 중계되도록 처리되어 기준 방향에 대해 실질적으로 원하는 각도 정렬 프로파일을 갖는 에너지의 원추(cone)들에서 출사된다.
일 실시예에서, 에너지 릴레이는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 에너지 릴레이 요소, 및 제1 표면과 제2 표면 사이의 복수의 에너지 전파 경로를 포함한다. 에너지 전파 경로들은 사전 결정된 배향을 가지며, 에너지 전파 경로들의 사전 결정된 배향 및 비평면 표면의 각각의 부수적 법선은 에너지가 비평면 표면을 통해 중계되어 실질적으로 에너지 릴레이 요소의 축상 방향에 대하여 원하는 각도 정렬 프로파일을 갖는 에너지의 원추들에서 출사하도록 정렬된다.
도 1은 에너지 지향 시스템에 대한 설계 파라미터를 예시하는 개략도이다.
도 2는 기계적 엔벨로프(envelope)를 갖는 능동 소자 영역을 갖는 에너지 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 3은 에너지 릴레이 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 4는 베이스 구조체에 함께 접착되어 고정된 에너지 릴레이 요소들의 실시예를 예시하는 개략도이다.
도 5a는 멀티 코어 광섬유를 통해 중계된 이미지의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 5b는 횡 방향 앤더슨 편재(Transverse Anderson Localization) 원리의 특성들을 나타내는 광학 릴레이를 통해 중계된 이미지의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 6은 에너지 표면으로부터 관찰자(viewer)로 전파된 광선을 예시하는 개략도이다.
도 7a는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 오일 또는 액체 내에서 2개의 컴포넌트 재료를 혼합함으로써 횡 방향 앤더슨 편재를 달성하는 가요성 에너지 릴레이의 절단도를 예시한다.
도 7b는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 접합제 내에서 2개의 컴포넌트 재료를 혼합함으로써 횡 방향 앤더슨 편재를 달성하며, 이렇게 함으로써 하나의 재료 특성에 대해 한 방향으로 최소 변동 경로를 달성하는 강성 에너지 릴레이의 개략 절단도를 예시한다.
도 8은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 에너지를 흡수하도록 설계된 종 방향(longitudinal direction)으로 차원 벽외 흡수(DEMA: dimensional extra mural absorption) 재료를 포함하는 횡단면의 개략 절단도를 예시한다.
도 9는 2개의 컴포넌트 재료의 무작위 분포를 포함하는 에너지 릴레이의 부분의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 10은 단일 모듈을 획정하는 3개의 컴포넌트 재료의 비무작위 패턴을 포함하는 에너지 릴레이의 모듈의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 11은 2개의 컴포넌트 재료의 무작위 분포를 포함하는 사전 융합 에너지 릴레이의 부분의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 12a는 유사한 배향을 갖는 다수의 모듈을 획정하는 3개의 컴포넌트 재료의 비무작위 분포를 포함하는 사전 융합 에너지 릴레이의 부분의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 12b는 다양한 배향들을 갖는 다수의 모듈을 획정하는 3개의 컴포넌트 재료의 비무작위 패턴을 포함하는 사전 융합 에너지 릴레이의 부분의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 13은 2개의 컴포넌트 재료의 무작위 분포를 포함하는 융합 에너지 릴레이의 부분의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 14는 3개의 컴포넌트 재료의 비무작위 패턴을 포함하는 융합 에너지 릴레이의 부분의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 15는 2개의 상이한 컴포넌트 엔지니어링된 구조체(CES) 재료의 무작위 분포를 포함하는 에너지 릴레이의 부분의 개략 단면도를 예시한다.
도 16은 3개의 상이한 CES 재료의 비무작위 패턴을 포함하는 에너지 릴레이의 일부의 개략 단면도를 예시한다.
도 17은 2개의 컴포넌트 재료의 집성 입자들의 무작위 분포를 포함하는 에너지 릴레이의 부분의 개략 단면 사시도를 예시한다.
도 18은 3개의 컴포넌트 재료의 집성 입자들의 비무작위 패턴을 포함하는 에너지 릴레이의 부분의 개략 단면 사시도를 예시한다.
도 19a는 비무작위 패턴을 포함하는 사전 융합 에너지 릴레이의 일부의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 19b는 융합 후 원래의 감소된 가로 치수 형태를 포함하는, 형성된 비무작위 패턴 에너지 릴레이의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 20은 감소된 가로 치수를 갖는 에너지 릴레이를 형성하기 위한 실시예를 예시한다.
도 21은 릴레이 재료를 가열하여 미세 구조 재료로 인발하는 공정의 블록도를 예시한다.
도 22는 감소된 가로 치수를 갖는 에너지 릴레이를 형성하기 위한 실시예를 예시한다.
도 23a는 고정구(fixture)에 사전 융합 릴레이 재료를 고정시킴으로써 에너지 릴레이 재료들을 융합시키기 위한 실시예를 예시한다.
도 23b는 에너지 릴레이 재료들을 이완 및 융합시키는 공정의 일부로서 에너지 릴레이 재료들을 포함하고 있는 조립된 고정구의 사시도를 예시한다.
도 23c는 융합된 에너지 릴레이 재료가 형성되도록 에너지 릴레이 재료들이 함께 융합된 후에 에너지 릴레이 재료들을 포함하고 있는 조립된 고정구의 사시도를 예시한다.
도 23d는 에너지 릴레이 재료들을 융합하기 위한 조정 가능한 고정구의 실시예의 사시도를 예시한다.
도 23e는 도 23d의 조정 가능한 고정구의 단면도를 예시한다.
도 24는 에너지 릴레이 재료의 융합된 블록의 사시도를 예시한다.
도 25는 에너지 릴레이 재료를 제조하기 위한 공정의 블록도를 예시한다.
도 26은 테이퍼형(tapered) 에너지 릴레이 모자이크 배열체를 예시한다.
도 27은 2개의 복합 광학 릴레이 테이퍼를 직렬로 포함하는 에너지 릴레이 요소 스택의 측면도를 예시한다.
도 28은 내부 반사의 기본 원리를 설명하는 개략도이다.
도 29는 광섬유로 입사하는 광선 및 릴레이 출구에서의 결과적인 원추형 광 분포를 설명하는 개략도이다.
도 30은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 3:1 배율 계수를 가지며 부착된 에너지원의 광의 결과적인 시야각을 갖는 광학 테이퍼 릴레이 구성을 예시한다.
도 31은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 도 30의 광학 테이퍼 릴레이이지만, 에너지원의 총 시야각이 결과적으로 증가되게 하는 광학 테이퍼 릴레이의 에너지원 측에 만곡형 표면을 갖는 광학 테이퍼 릴레이를 예시한다.
도 32는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 도 30의 광학 테이퍼 릴레이이지만 에너지원 측에 수직은 아니지만 평면인 표면이 있는 광학 테이퍼 릴레이를 예시한다.
도 33은 에너지원 측에 오목한 표면이 있는 도 30의 광학 릴레이 및 조명 원추들을 예시한다.
도 34는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 에너지원 측에 동일한 볼록 표면을 갖지만 오목한 출력 에너지 표면 기하학적 형태를 갖는 도 33의 광학 테이퍼 릴레이 및 광 조명 원추들을 예시한다.
도 35는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 수직 에너지원 표면으로부터 에너지원 가시 이미지를 형성하기 위해 만곡된 에너지원 측 표면들과 함께 결합된 다수의 광학 테이퍼 모듈을 예시한다.
도 36은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 수직 에너지원 측 기하학적 형태 및 중심축을 중심으로 방사상인 볼록한 에너지원 표면과 함께 결합된 다수의 광학 테이퍼 모듈을 예시한다.
도 37은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 수직 에너지원 측 기하학적 형태 및 중심축을 중심으로 방사상인 볼록한 에너지원 측 표면과 함께 결합된 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈을 예시한다.
도 38은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 가시 출력 광선이 에너지원에서 볼 때 보다 균일하도록 각각의 에너지원이 독립적으로 구성된 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈을 예시한다.
도 39는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 에너지원 측과 에너지원 모두가 입력 광선 및 출력 광선에 대한 제어를 제공하기 위해 다양한 기하학적 형태로 구성된 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈을 예시한다.
도 40은 개별 출력 에너지 표면들이 연마됨으로써 관찰자를 둘러싸는 심리스(seamless) 오목 원통형 에너지원이 형성되며 릴레이들의 에너지원 단부들이 편평하고 그 각각이 에너지원에 접합되는 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈의 배열을 예시한다.
도 41은 연마된 비평면 표면 및 제어된 배율을 갖는 단일 테이퍼의 확대형 단부로부터 방출된 주광선 각도들의 직교도를 예시한다.
도 42는 도 41에 도시된 테이퍼와 유사한 한 어레이의 테이퍼들의 직교도를 예시한다.
도 43은 한 어레이의 에너지 릴레이 요소들을 제조하는 방법을 예시한다.
도 44 내지 도 46은 단일 초기 재료 블록으로부터 한 어레이의 에너지 릴레이 요소들을 제조하는 방법을 예시한다.
도 47 및 도 48은 테이퍼형 릴레이를 릴레이 재료로 형성하는 방법을 예시한다.
도 49 및 도 50은 도 45에 도시된 것과 유사한 복수의 금형이 제공되는 한 어레이의 테이퍼형 에너지 릴레이들을 형성하는 방법을 도시한다.
도 51a 내지 도 54b는 원하는 테이퍼 경사 프로파일을 포함하는 쐐기에 가해지는 힘이 2개의 테이퍼 릴레이를 생성하기 위해 릴레이 재료를 열을 가함과 동시에 2차원으로 압축하는 데 사용될 수 있는 다단계 공정을 예시한다.
도 55는 도 54a 및 도 54b에 도시된 테이퍼형 릴레이의 모든 처리 단계가 완료된 후의 단부도를 예시한다.
도 56a 내지 도 60b는 압축이 동시에 발생하는 것이 아니라 각 직교 차원(Y, Z)에 대해 개별적으로 두 단계로 발생하는 것을 제외하고는 도 52a 내지 도 54b에 도시된 것과 유사한 공정을 예시한다.
도 61a는 4개의 연동 슬라이딩 벽으로 구성된 압축 고정구를 사용하는 테이퍼 성형용 고정구의 단부도를 예시한다.
도 61b는 처리가 완료된 후의 벽들의 위치를 예시한다.
도 61c는 도 59a의 고정구의 측면도를 예시한다.
도 61d는 처리 단계들이 완료된 후의 결과적인 테이퍼형 릴레이를 예시한다.
도 62는 다수의 처리 단계가 직렬로 수행되는 공정의 실시예를 예시한다.
도 63은 다수의 처리 단계가 병렬로 수행되는 공정의 실시예를 예시한다.
도 64는 에너지 릴레이 재료를 제공하기 위한 공정의 실시예를 예시한다.
도 65a는 사전 결정된 배향으로 복수의 에너지 전파 경로를 갖는 에너지 릴레이 요소를 예시한다.
도 65b는 만곡형 표면 및 선형 표면을 갖고 사전 결정된 배향을 갖는 복수의 에너지 전파 경로를 갖는 에너지 릴레이를 예시한다.
도 65c는 2개의 선형 표면을 갖고 사전 결정된 배향으로 복수의 에너지 전파 경로를 갖는 에너지 릴레이를 예시한다.
도 65d는 2개의 만곡형 표면을 갖고 사전 결정된 배향으로 복수의 에너지 전파 경로를 갖는 에너지 릴레이를 예시한다.
도 65e는 에너지 릴레이의 에너지 전파 경로들의 배향 및 표면 프로파일들에 의해 처리될 설계 파라미터들을 예시한다.
도 66a 내지 도 66c는 상이한 방향들로 정렬되는 에너지의 출구 원추들을 갖는 비평면 표면을 갖도록 형성된 에너지 릴레이들의 예를 예시한다.
도 67a 내지 도 67b는 최소화된 확대 또는 축소를 갖는 에너지 릴레이들의 예를 예시한다.
도 68a 내지 도 68b는 상이한 방향들로 정렬되는 에너지의 출구 원추들을 갖는 비평면 표면을 갖도록 형성된 에너지 릴레이들의 예를 예시한다.
도 69는 기계 에너지를 전송하도록 구성된 에너지 릴레이의 예시적인 구조체를 제공한다.
도 2는 기계적 엔벨로프(envelope)를 갖는 능동 소자 영역을 갖는 에너지 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 3은 에너지 릴레이 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 4는 베이스 구조체에 함께 접착되어 고정된 에너지 릴레이 요소들의 실시예를 예시하는 개략도이다.
도 5a는 멀티 코어 광섬유를 통해 중계된 이미지의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 5b는 횡 방향 앤더슨 편재(Transverse Anderson Localization) 원리의 특성들을 나타내는 광학 릴레이를 통해 중계된 이미지의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 6은 에너지 표면으로부터 관찰자(viewer)로 전파된 광선을 예시하는 개략도이다.
도 7a는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 오일 또는 액체 내에서 2개의 컴포넌트 재료를 혼합함으로써 횡 방향 앤더슨 편재를 달성하는 가요성 에너지 릴레이의 절단도를 예시한다.
도 7b는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 접합제 내에서 2개의 컴포넌트 재료를 혼합함으로써 횡 방향 앤더슨 편재를 달성하며, 이렇게 함으로써 하나의 재료 특성에 대해 한 방향으로 최소 변동 경로를 달성하는 강성 에너지 릴레이의 개략 절단도를 예시한다.
도 8은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 에너지를 흡수하도록 설계된 종 방향(longitudinal direction)으로 차원 벽외 흡수(DEMA: dimensional extra mural absorption) 재료를 포함하는 횡단면의 개략 절단도를 예시한다.
도 9는 2개의 컴포넌트 재료의 무작위 분포를 포함하는 에너지 릴레이의 부분의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 10은 단일 모듈을 획정하는 3개의 컴포넌트 재료의 비무작위 패턴을 포함하는 에너지 릴레이의 모듈의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 11은 2개의 컴포넌트 재료의 무작위 분포를 포함하는 사전 융합 에너지 릴레이의 부분의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 12a는 유사한 배향을 갖는 다수의 모듈을 획정하는 3개의 컴포넌트 재료의 비무작위 분포를 포함하는 사전 융합 에너지 릴레이의 부분의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 12b는 다양한 배향들을 갖는 다수의 모듈을 획정하는 3개의 컴포넌트 재료의 비무작위 패턴을 포함하는 사전 융합 에너지 릴레이의 부분의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 13은 2개의 컴포넌트 재료의 무작위 분포를 포함하는 융합 에너지 릴레이의 부분의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 14는 3개의 컴포넌트 재료의 비무작위 패턴을 포함하는 융합 에너지 릴레이의 부분의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 15는 2개의 상이한 컴포넌트 엔지니어링된 구조체(CES) 재료의 무작위 분포를 포함하는 에너지 릴레이의 부분의 개략 단면도를 예시한다.
도 16은 3개의 상이한 CES 재료의 비무작위 패턴을 포함하는 에너지 릴레이의 일부의 개략 단면도를 예시한다.
도 17은 2개의 컴포넌트 재료의 집성 입자들의 무작위 분포를 포함하는 에너지 릴레이의 부분의 개략 단면 사시도를 예시한다.
도 18은 3개의 컴포넌트 재료의 집성 입자들의 비무작위 패턴을 포함하는 에너지 릴레이의 부분의 개략 단면 사시도를 예시한다.
도 19a는 비무작위 패턴을 포함하는 사전 융합 에너지 릴레이의 일부의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 19b는 융합 후 원래의 감소된 가로 치수 형태를 포함하는, 형성된 비무작위 패턴 에너지 릴레이의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시한다.
도 20은 감소된 가로 치수를 갖는 에너지 릴레이를 형성하기 위한 실시예를 예시한다.
도 21은 릴레이 재료를 가열하여 미세 구조 재료로 인발하는 공정의 블록도를 예시한다.
도 22는 감소된 가로 치수를 갖는 에너지 릴레이를 형성하기 위한 실시예를 예시한다.
도 23a는 고정구(fixture)에 사전 융합 릴레이 재료를 고정시킴으로써 에너지 릴레이 재료들을 융합시키기 위한 실시예를 예시한다.
도 23b는 에너지 릴레이 재료들을 이완 및 융합시키는 공정의 일부로서 에너지 릴레이 재료들을 포함하고 있는 조립된 고정구의 사시도를 예시한다.
도 23c는 융합된 에너지 릴레이 재료가 형성되도록 에너지 릴레이 재료들이 함께 융합된 후에 에너지 릴레이 재료들을 포함하고 있는 조립된 고정구의 사시도를 예시한다.
도 23d는 에너지 릴레이 재료들을 융합하기 위한 조정 가능한 고정구의 실시예의 사시도를 예시한다.
도 23e는 도 23d의 조정 가능한 고정구의 단면도를 예시한다.
도 24는 에너지 릴레이 재료의 융합된 블록의 사시도를 예시한다.
도 25는 에너지 릴레이 재료를 제조하기 위한 공정의 블록도를 예시한다.
도 26은 테이퍼형(tapered) 에너지 릴레이 모자이크 배열체를 예시한다.
도 27은 2개의 복합 광학 릴레이 테이퍼를 직렬로 포함하는 에너지 릴레이 요소 스택의 측면도를 예시한다.
도 28은 내부 반사의 기본 원리를 설명하는 개략도이다.
도 29는 광섬유로 입사하는 광선 및 릴레이 출구에서의 결과적인 원추형 광 분포를 설명하는 개략도이다.
도 30은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 3:1 배율 계수를 가지며 부착된 에너지원의 광의 결과적인 시야각을 갖는 광학 테이퍼 릴레이 구성을 예시한다.
도 31은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 도 30의 광학 테이퍼 릴레이이지만, 에너지원의 총 시야각이 결과적으로 증가되게 하는 광학 테이퍼 릴레이의 에너지원 측에 만곡형 표면을 갖는 광학 테이퍼 릴레이를 예시한다.
도 32는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 도 30의 광학 테이퍼 릴레이이지만 에너지원 측에 수직은 아니지만 평면인 표면이 있는 광학 테이퍼 릴레이를 예시한다.
도 33은 에너지원 측에 오목한 표면이 있는 도 30의 광학 릴레이 및 조명 원추들을 예시한다.
도 34는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 에너지원 측에 동일한 볼록 표면을 갖지만 오목한 출력 에너지 표면 기하학적 형태를 갖는 도 33의 광학 테이퍼 릴레이 및 광 조명 원추들을 예시한다.
도 35는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 수직 에너지원 표면으로부터 에너지원 가시 이미지를 형성하기 위해 만곡된 에너지원 측 표면들과 함께 결합된 다수의 광학 테이퍼 모듈을 예시한다.
도 36은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 수직 에너지원 측 기하학적 형태 및 중심축을 중심으로 방사상인 볼록한 에너지원 표면과 함께 결합된 다수의 광학 테이퍼 모듈을 예시한다.
도 37은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 수직 에너지원 측 기하학적 형태 및 중심축을 중심으로 방사상인 볼록한 에너지원 측 표면과 함께 결합된 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈을 예시한다.
도 38은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 가시 출력 광선이 에너지원에서 볼 때 보다 균일하도록 각각의 에너지원이 독립적으로 구성된 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈을 예시한다.
도 39는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 에너지원 측과 에너지원 모두가 입력 광선 및 출력 광선에 대한 제어를 제공하기 위해 다양한 기하학적 형태로 구성된 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈을 예시한다.
도 40은 개별 출력 에너지 표면들이 연마됨으로써 관찰자를 둘러싸는 심리스(seamless) 오목 원통형 에너지원이 형성되며 릴레이들의 에너지원 단부들이 편평하고 그 각각이 에너지원에 접합되는 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈의 배열을 예시한다.
도 41은 연마된 비평면 표면 및 제어된 배율을 갖는 단일 테이퍼의 확대형 단부로부터 방출된 주광선 각도들의 직교도를 예시한다.
도 42는 도 41에 도시된 테이퍼와 유사한 한 어레이의 테이퍼들의 직교도를 예시한다.
도 43은 한 어레이의 에너지 릴레이 요소들을 제조하는 방법을 예시한다.
도 44 내지 도 46은 단일 초기 재료 블록으로부터 한 어레이의 에너지 릴레이 요소들을 제조하는 방법을 예시한다.
도 47 및 도 48은 테이퍼형 릴레이를 릴레이 재료로 형성하는 방법을 예시한다.
도 49 및 도 50은 도 45에 도시된 것과 유사한 복수의 금형이 제공되는 한 어레이의 테이퍼형 에너지 릴레이들을 형성하는 방법을 도시한다.
도 51a 내지 도 54b는 원하는 테이퍼 경사 프로파일을 포함하는 쐐기에 가해지는 힘이 2개의 테이퍼 릴레이를 생성하기 위해 릴레이 재료를 열을 가함과 동시에 2차원으로 압축하는 데 사용될 수 있는 다단계 공정을 예시한다.
도 55는 도 54a 및 도 54b에 도시된 테이퍼형 릴레이의 모든 처리 단계가 완료된 후의 단부도를 예시한다.
도 56a 내지 도 60b는 압축이 동시에 발생하는 것이 아니라 각 직교 차원(Y, Z)에 대해 개별적으로 두 단계로 발생하는 것을 제외하고는 도 52a 내지 도 54b에 도시된 것과 유사한 공정을 예시한다.
도 61a는 4개의 연동 슬라이딩 벽으로 구성된 압축 고정구를 사용하는 테이퍼 성형용 고정구의 단부도를 예시한다.
도 61b는 처리가 완료된 후의 벽들의 위치를 예시한다.
도 61c는 도 59a의 고정구의 측면도를 예시한다.
도 61d는 처리 단계들이 완료된 후의 결과적인 테이퍼형 릴레이를 예시한다.
도 62는 다수의 처리 단계가 직렬로 수행되는 공정의 실시예를 예시한다.
도 63은 다수의 처리 단계가 병렬로 수행되는 공정의 실시예를 예시한다.
도 64는 에너지 릴레이 재료를 제공하기 위한 공정의 실시예를 예시한다.
도 65a는 사전 결정된 배향으로 복수의 에너지 전파 경로를 갖는 에너지 릴레이 요소를 예시한다.
도 65b는 만곡형 표면 및 선형 표면을 갖고 사전 결정된 배향을 갖는 복수의 에너지 전파 경로를 갖는 에너지 릴레이를 예시한다.
도 65c는 2개의 선형 표면을 갖고 사전 결정된 배향으로 복수의 에너지 전파 경로를 갖는 에너지 릴레이를 예시한다.
도 65d는 2개의 만곡형 표면을 갖고 사전 결정된 배향으로 복수의 에너지 전파 경로를 갖는 에너지 릴레이를 예시한다.
도 65e는 에너지 릴레이의 에너지 전파 경로들의 배향 및 표면 프로파일들에 의해 처리될 설계 파라미터들을 예시한다.
도 66a 내지 도 66c는 상이한 방향들로 정렬되는 에너지의 출구 원추들을 갖는 비평면 표면을 갖도록 형성된 에너지 릴레이들의 예를 예시한다.
도 67a 내지 도 67b는 최소화된 확대 또는 축소를 갖는 에너지 릴레이들의 예를 예시한다.
도 68a 내지 도 68b는 상이한 방향들로 정렬되는 에너지의 출구 원추들을 갖는 비평면 표면을 갖도록 형성된 에너지 릴레이들의 예를 예시한다.
도 69는 기계 에너지를 전송하도록 구성된 에너지 릴레이의 예시적인 구조체를 제공한다.
홀로덱("홀로덱 설계 파라미터"라고 통칭함)의 실시예는 인간의 감각 수용체들을 속이기에 충분한 에너지 자극을 제공하여 가상의 사회적 및 인터랙티브 환경 내에서 받은 에너지 자극들이 실제라고 믿게 하며, 다음을 제공한다: 1) 외부 액세서리들이 없는 양안 시차, 머리 장착식 안경류 또는 기타 주변 장치들; 2) 임의의 수의 관찰자를 위해 동시에 시야 체적(viewing volume) 전반에 걸친 정확한 운동 시차, 교합 및 불투명도; 3) 인지된 모든 광선에 대한 눈의 동시 수렴, 원근조절 및 축동을 통한 시각 초점; 및 4) 시각, 청각, 촉각, 미각, 후각 및/또는 균형을 위한 인간의 감각 "해상도"를 초과하는 충분한 밀도 및 해상도의 수렴 에너지파 전파.
시각계, 청각계, 체성감각계, 미각계, 후각계 및 전정(vestibular)계를 포함하는 홀로덱 설계 파라미터들에 의해 제안되는 바와 같은 강력한 방식으로 모든 수용장(receptive field)을 위해 제공할 수 있는 기술이, 현재까지의 종래 기술에 기초하여, 수 세기는 아니더라도, 수십 년이 걸렸다.
본 개시내용에서, 광 필드(light field) 및 홀로그램이라는 용어들은 임의의 감각 수용체 반응의 자극에 대한 에너지 전파를 정의하는 데 상호교환 가능하게 사용될 수 있다. 초기 개시내용들은 홀로그래픽 이미지 및 부피 측정 햅틱스를 위한 에너지 표면들을 통한 전자기 및 기계 에너지 전파의 예들을 지칭할 수 있는 한편, 모든 형태의 감각 수용체들이 본 개시내용에서 상정된다. 또한, 전파 경로들을 따른 에너지 전파를 위해 본원에 개시된 원리들은 에너지 방출 및 에너지 캡처 양방 모두에 적용 가능할 수 있다.
렌티큘러 프린팅(lenticular printing), 페퍼의 유령(Pepper's Ghost), 안경 없는 입체 디스플레이, 수평 시차 디스플레이, 머리 장착식 VR 및 AR 디스플레이(HMD) 및 "폴로그래피(fauxlography)"로 일반화된 이러한 다른 환영(illusion)을 포함하는 홀로그램과 종종 불행하게도 혼동되는 많은 기술들이 오늘날 존재한다. 이러한 기술들은 진정한 홀로그램 디스플레이의 원하는 특성들 중 일부를 나타낼 수 있기는 하지만, 4개의 식별된 홀로덱 설계 파라미터들 중 적어도 2개를 해결하기에 충분한 임의의 방식으로 인간의 시각적 감각 반응을 자극하는 능력이 부족하다.
이러한 도전들은 홀로그램 에너지 전파에 충분한 심리스 에너지 표면을 생성하기 위해 종래 기술에 의해 성공적으로 구현되지 못했다. 시차 배리어(parallax barriers), 호겔(hogels), 복셀(voxels), 회절 광학, 멀티 뷰 투영, 홀로그램 확산기, 회전 거울, 다층형 디스플레이, 시간 순차 디스플레이, 머리 장착식 디스플레이 등을 포함하는 체적 및 방향 다중화 광 필드 디스플레이를 구현하기 위한 다양한 접근법들이 있기는 하지만, 종래의 접근법들은 이미지 품질, 해상도, 각도 샘플링 밀도, 크기, 비용, 안전성, 프레임 속도 등에 대한 타협을 수반할 수 있으며, 이는 궁극적으로 실현 불가능한 기술을 초래할 수 있다.
시각계, 청각계, 체성감각계들에 대한 홀로덱 설계 파라미터들을 달성하기 위해 각 계들의 각각의 인간의 예민성(acuity)이 연구되고 이해되어 인간의 감각 수용체들을 충분히 속일 수 있도록 에너지파를 전파한다. 시각계는 대략 1분각(arc min)으로 분해할 수 있으며, 청각계는 배치에 있어서의 차이를 적게는 3도만큼 구별할 수 있으며 손에 있는 체성감각계는 2 내지 12 mm로 분리된 지점들을 식별할 수 있다. 이러한 예민성을 측정하기 위한 다양하고 상충되는 방식이 존재하기는 하지만, 이러한 값들은 에너지 전파의 인지를 자극하기 위한 시스템들과 방법들을 이해하기에 충분하다.
언급된 감각 수용체들 중에서 인간의 시각계는, 심지어 단일 광자조차도 감각을 유발할 수 있음을 고려하면, 단연코 가장 민감하다. 이러한 이유로, 이 소개의 대부분은 시각적인 에너지파 전파에 초점을 맞출 것이고, 개시된 에너지 도파관 표면 내에 결합된 상당히 낮은 해상도의 에너지 시스템들은 홀로그램 감각 인지를 유도하기 위해 적절한 신호들을 수렴할 수 있다. 달리 언급하지 않는 한, 모든 개시내용은 모든 에너지 및 감각 도메인들에 적용된다.
시야 체적 및 시야 거리(viewing distance)가 주어진 시각계에 대한 에너지 전파의 효과적인 설계 파라미터들을 계산할 때, 원하는 에너지 표면은 많은 기가픽셀의 유효 에너지 위치 밀도를 포함하도록 설계될 수 있다. 광시야 체적 또는 근시야 관측(near field viewing)에 대해서는, 원하는 에너지 표면의 설계 파라미터들이 수백 기가픽셀 또는 그 이상의 유효 에너지 위치 밀도를 포함할 수 있다. 이와 비교하여, 원하는 에너지원은 볼륨 햅틱의 초음파 전파를 위한 1 내지 250 유효 메가픽셀의 에너지 위치 밀도 또는 입력 환경 변수들에 따른 홀로그램 사운드의 음향 전파를 위하여 한 어레이의 36 내지 3,600개 유효 에너지 위치들을 갖도록 설계될 수 있다. 주목해야 할 중요한 점은 개시된 양방향 에너지 표면 아키텍처를 이용하면 모든 컴포넌트가 홀로그램 전파를 가능하게 하기 위해 임의의 에너지 도메인에 대해 적합한 구조체들을 형성하도록 구성될 수 있다는 것이다.
하지만, 오늘날 홀로덱을 사용하기 위한 주요 과제는 이용 가능한 시각적 기술들과 전자기 장치 제한들을 수반한다. 청각 및 초음파 장치들은, 복잡성이 과소 평가되어서는 안되지만, 각각의 수용장에서의 감각 예민성에 기초하여 원하는 밀도에 있어서의 규모 차이의 순서들이 주어지면 덜 어렵다. 홀로그램 에멀젼은 정적 이미지에서 간섭 패턴들을 인코딩하기 위해 원하는 밀도를 초과하는 해상도로 존재하지만, 최첨단 디스플레이 장치들은 해상도, 데이터 처리량 및 제조 가능성이 제한된다. 현재까지, 시력에 대해 거의 홀로그램 해상도를 갖는 광 필드를 의미 있게 생성할 수 있는 디스플레이 장치는 하나도 없었다.
강력한 광 필드 디스플레이를 위해 원하는 해상도를 충족시킬 수 있는 단일 실리콘 기반의 장치를 제작하는 것은 실용적이지 않을 수 있으며 현재의 제조 능력을 넘어선 극히 복잡한 제조 공정들을 수반할 수 있다. 다수의 기존 디스플레이 장치를 함께 타일링하는 것에 대한 제한은, 패키징, 전자 장치, 인클로저, 광학기기의 물리적 크기에 의해 형성된 이음매 및 간극과, 필연적으로 이미징, 비용 및/또는 크기 관점으로부터 실행 불가능한 기술을 초래하는 다수의 다른 과제들을 수반한다.
본원에 개시된 실시예들은 홀로덱을 구축하기 위한 실제 경로를 제공할 수 있다.
이제부터는, 본원의 일부를 형성하며 실시될 수 있는 예시적인 실시예들을 도시하는 첨부 도면들을 참조하여, 예시적인 실시예들에 대해 설명할 것이다. 본 개시내용 및 첨부된 청구범위에서 사용된 바와 같이, "실시예", "예시적인 실시예" 및 "예시의 실시예"라는 용어들은, 단일 실시예를 지칭할 수 있지만, 반드시 단일 실시예를 지칭하는 것은 아니며, 예시적인 실시예들의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않으면서, 다양한 예시적인 실시예들이 용이하게 조합되고 상호교환될 수 있다. 또한, 본원에서 사용되는 전문용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위한 것이지, 제한하려고 의도되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "안에"는 "안에" 및 "위에"를 포함할 수 있고, 용어 "일" 및 "그"는 단수 및 복수의 지칭되는 것들을 포함할 수 있다. 또한, 본원에 사용된 용어 "~에 의해"는 또한 문맥에 따라 "~로부터"를 의미할 수도 있다. 또한, 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "~이면"은 또한 문맥에 따라 "~일 때" 또는 "~할 때"를 의미할 수도 있다. 또한, 본원에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 단어는 하나 이상의 관련된 열거 항목들 중 임의의 것 및 모든 가능한 조합들을 지칭하고 포함할 수 있다.
홀로그램 시스템 고려사항:
광 필드 에너지 전파 해상도의 개요
광 필드 및 홀로그래픽 디스플레이는 에너지 표면 위치가 시야 체적 내에서 전파되는 각도, 색상 및 강도 정보를 제공하는 복수의 투영체의 결과이다. 개시된 에너지 표면은, 부가적인 정보가 공존하고, 동일한 표면을 통해 전파되어 다른 감각계 반응들을 유도할 수 있는 기회들을 제공한다. 입체 디스플레이와 달리, 공간 내의 수렴 에너지 전파 경로의 관측된 위치는 관찰자가 시야 체적 주위를 이동할 때 가변되지 않아 임의의 수의 관찰자라도 실제로 그곳에 있는 것처럼 실제 공간에서 전파된 객체를 동시에 볼 수 있다. 일부 실시예에서, 에너지의 전파는 동일한 에너지 전파 경로에 위치될 수도 있지만 방향이 반대이다. 예를 들어, 에너지 전파 경로를 따른 에너지 방출 및 에너지 포획은 양방 모두가 본 개시내용의 일부 실시예에서 가능하다.
도 1은 감각 수용체 반응의 자극에 관련된 변수들을 나타내는 개략도이다. 이들 변수들은 표면 대각선(101), 표면 폭(102), 표면 높이(103), 결정된 목표 시팅(seating) 거리(118), 디스플레이의 중심으로부터의 목표 시팅 시야(104), 눈 사이의 샘플들로서 여기에서 보여진 중간 샘플들의 수(105), 평균 성인의 안구 간격(106), 분각에서 인간의 눈의 평균 해상도(107), 목표 관찰자 위치와 표면 폭 사이에 형성된 수평 시야(108), 목표 관찰자 위치와 표면 높이 사이에 형성된 수직 시야(109), 표면에 걸친, 결과적인 수평 도파관 요소 해상도 또는 요소들의 전체 수(110), 표면에 걸친, 결과적인 수직 도파관 요소 해상도 또는 요소들의 전체 수(111), 눈 사이의 안구 간격과 눈 사이의 각도 투영을 위한 중간 샘플들의 수에 기초한 샘플 거리(112), 샘플 거리 및 목표 시팅 거리에 기초할 수 있는 각도 샘플링(113), 원하는 각도 샘플링으로부터 도출된 도파관 요소 당 전체 해상도 수평도(114), 원하는 각도 샘플링으로부터 도출된 도파관 요소 당 전체 해상도 수직도(115), 원하는 이산(discrete) 에너지원들의 결정된 수의 계수(count)인 장치 수평도(116), 그리고 원하는 이산 에너지원들의 결정된 수의 계수인 장치 수직도(117)를 포함할 수 있다.
원하는 최소 해상도를 이해하는 방법은, 시각적(또는 다른) 감각 수용체 반응의 충분한 자극을 보장하기 위해 다음의 기준, 즉, 표면 크기(예컨대, 84" 대각선), 표면 종횡비(예컨대, 16:9), 시팅 거리(예컨대, 디스플레이로부터 128"), 시팅 시야(예컨대, 디스플레이의 센터를 중심으로 120도 또는 +/-60도), 소정의 거리에 있는 원하는 중간 샘플들(예컨대, 눈 사이에서의 하나의 부가적인 전파 경로), 성인의 평균 안구 간격(대략 65 mm), 그리고 인간의 눈의 평균 해상도(대략 1분각)에 기초할 수 있다. 이러한 예시적인 값들은 특정 애플리케이션 설계 파라미터들에 따른 플레이스홀더(placeholders)로 간주되어야 한다.
또한, 시각 감각 수용체에 기인한 값들의 각각은 원하는 전파 경로 파라미터들을 결정하기 위해 다른 시스템들로 대체될 수 있다. 다른 에너지 전파의 실시예들에 대해서는, 청각계의 각도 민감도는 3도 정도로 낮을 수 있고, 손의 체성감각계의 공간 해상도는 2 내지 12 mm 정도로 작을 수 있음이 고려될 수 있다.
이러한 감각 예민성을 측정하기 위한 다양하고 상충되는 방식이 존재하기는 하지만, 이러한 값들은 가상의 에너지 전파의 인지를 자극하기 위한 시스템들과 방법들을 이해하기에 충분하다. 설계 해상도를 고려하는 많은 방식들이 있으며, 아래 제안된 방법은 실용적인 제품 고려사항을 감각계의 생물학적 분해 한계와 결합시킨다. 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 다음의 개요는 임의의 그러한 시스템 설계의 단순화이며, 단지 예시의 목적을 위해 고려되어야 한다.
이해된 감각계의 해상도 한계로, 전체 에너지 도파관 요소 밀도는, 수신 감각계가 인접한 요소로부터 단일 에너지 도파관 요소를 식별할 수 없도록 계산될 수 있으며, 다음과 같다:
위의 계산들은 대략 32×18°의 시야를 초래하고, 이는 대략 1920×1080(가장 가까운 포맷으로 반올림됨) 에너지 도파관 요소들이 요구되는 것을 초래한다. 또한, (u, v) 양방 모두가 에너지 위치들의 보다 규칙적인 공간 샘플링(예컨대, 픽셀 종횡비)을 제공하기 위해 시야가 일정하도록 변수들이 제약될 수 있다. 시스템의 각도 샘플링은, 다음과 같은, 최적화된 거리에 있는 두 지점들 사이의 획정된 목표 시야 체적 위치와 부가적인 전파 에너지 경로들을 가정한다:
이 경우, 주어진 거리만큼 적절한 샘플 수를 설명하기 위해 임의의 메트릭(metric)이 활용될 수 있지만, 안구간 거리는 샘플 거리를 계산하기 위해 활용된다. 위의 변수들을 고려하면, 0.57°당 대략 1개의 광선이 요구될 수 있으며 독립 감각계 당 전체 시스템 해상도는 다음과 같이 결정될 수 있다:
시력 시스템에 대해 해결된 에너지 표면 및 각도 해상도의 크기를 고려한 상기의 시나리오를 이용하면, 결과적인 에너지 표면은 바람직하게는 대략 400k×225k 픽셀의 에너지 해상도 위치들, 또는 90기가픽셀의 홀로그램 전파 밀도를 포함할 수 있다. 제공된 이러한 변수들은 오직 예시의 목적으로 제공되며, 에너지의 홀로그램 전파의 최적화를 위해 많은 다른 감각 및 에너지 계측 고려사항이 고려되어야 한다. 추가적인 일 실시예에서, 입력 변수들에 기초하여 1기가픽셀의 에너지 해상도 위치들이 바람직할 수 있다. 추가적인 일 실시예에서, 입력 변수들에 기초하여 1,000기가픽셀의 에너지 해상도 위치들이 요구될 수 있다.
현재 기술 제한사항:
능동 영역, 소자 전자 장치, 패키징 및 기계적 엔벨로프
도 2는 소정의 기계적 폼 팩터를 갖는 능동 영역(220)을 갖는 장치(200)를 예시한다. 장치(200)는 능동 영역(220)에 전력을 공급하고 인터페이스하기 위한 드라이버(230) 및 전자 장치(240)를 포함할 수 있으며, 능동 영역은 x 및 y 화살표들로 나타낸 치수를 갖는다. 이 장치(200)는 컴포넌트들을 구동, 전력공급 및 냉각시키기 위한 케이블류 및 기계적 구조들을 고려하지 않고, 플렉스(flex) 케이블을 장치(200)에 도입함으로써 기계적 실장면적이 더 최소화될 수 있다. 이러한 장치(200)의 최소 실장면적은 또한 M:x 및 M:y 화살표들로 나타낸 치수를 갖는 기계적 엔벨로프(210)로 지칭될 수 있다. 이 장치(200)는 단지 설명의 목적일 뿐이고 주문형 전자 설계는 기계적 엔벨로프 오버헤드를 더 감소시킬 수 있지만, 거의 모든 경우에 장치의 능동 영역의 정확한 크기가 아닐 수 있다. 일 실시예에서, 이 장치(200)는 마이크로 OLED, DLP 칩 또는 LCD 패널에 대한 능동 이미지 영역(220), 또는 이미지 조명의 목적을 갖는 임의의 다른 기술에 관한 전자 장치의 의존성을 예시한다.
일부 실시예에서, 다른 투영 기술들을 고려하여 다수의 이미지를 더 큰 전체 디스플레이에 집성(aggregate)하는 것이 또한 가능할 수 있다. 하지만, 이것은, 투영 거리, 최소 초점, 광학 품질, 균일한 필드 해상도, 색수차(chromatic aberration), 열 특성, 교정(calibration), 정렬, 부가적인 크기 또는 폼 팩터에 대한 더 큰 복잡성의 대가를 치를 수 있다. 대부분의 실제 애플리케이션에 대해서는, 수십 또는 수백 개의 이들 투영 소스(200)를 호스팅하는 것은 신뢰성이 떨어지면서 훨씬 더 큰 설계를 초래할 수 있다.
오직 예시적인 목적으로, 3840×2160개의 사이트의 에너지 위치 밀도를 갖는 에너지 장치들을 가정하면, 다음과 같이 주어진, 에너지 표면에 대해 요구되는 개별 에너지 장치(예컨대, 장치(100))의 수를 결정할 수 있다:
상기의 해상도 고려사항을 고려하면, 도 2에 나타낸 것과 유사한 대략 105×105 장치들이 요구된다. 많은 장치들이 정규 그리드에 매핑될 수도 있고 매핑되지 않을 수도 있는 다양한 픽셀 구조체들을 포함할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 각각의 전체 픽셀 내에 부가적인 서브 픽셀 또는 위치가 존재하는 경우, 이들이 활용되어 부가적인 해상도 또는 각도 밀도를 생성할 수 있다. 픽셀 구조체(들)의 지정 위치에 따라 광 필드를 올바른 (u, v) 좌표로 변환하는 방법을 결정하기 위해 부가적인 신호 처리가 사용될 수 있으며, 알려지고 교정된 각 장치의 명시적인 특성이 될 수 있다. 또한, 다른 에너지 도메인들은 이들 비율들 및 장치 구조들의 상이한 취급을 수반할 수 있고, 당업자는 원하는 주파수 도메인의 각각 사이의 직접적인 본질적인 관계를 이해할 것이다. 이는 이후의 개시내용에서 보다 상세히 설명되고 논의될 것이다.
결과적인 계산은 얼마나 많은 이러한 개별 장치들이 전체 해상도 에너지 표면을 생성하는 데 필요한 지를 이해하는 데 사용될 수 있다. 이 경우, 대략 105×105 또는 대략 11,080개의 장치들이 시력 임계치를 달성하는 데 필요할 수 있다. 충분한 감각 홀로그램 전파를 위해 이러한 가용 에너지 위치들로부터 심리스 에너지 표면을 제작하는 과정 내에는 도전 과제와 새로운 것이 존재한다.
심리스 에너지 표면들의 개요:
에너지 릴레이들의 어레이들의 구성 및 설계
일부 실시예에서, 장치들에 대한 기계적 구조의 제한으로 인해 이음매(seam)를 갖지 않는 한 어레이의 개별 장치들로부터 고에너지 위치 밀도를 생성하는 과제를 해결하기 위한 접근법들이 개시된다. 일 실시예에서, 에너지 전파 릴레이 시스템은 능동 소자 영역의 유효 크기를 증가시켜 기계적 치수들을 충족시키거나 초과하여 한 어레이의 릴레이들을 구성하고 단일의 심리스 에너지 표면을 형성할 수 있다.
도 3은 이러한 에너지 릴레이 시스템(300)의 실시예를 예시한다. 나타낸 바와 같이, 릴레이 시스템(300)은 기계적 엔벨로프(320)에 장착된 장치(310)를 포함할 수 있으며, 에너지 릴레이 요소(330)는 장치(310)로부터 에너지를 전파한다. 릴레이 요소(330)는 장치의 다수의 기계적 엔벨로프(320)가 한 어레이의 다수의 장치(310) 내에 배치될 때 생성될 수 있는 임의의 간극(340)을 완화시키는 능력을 제공하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 장치의 능동 영역(310)이 20 mm×10 mm이고 기계적 엔벨로프(320)가 40 mm×20 mm라면, 에너지 릴레이 요소(330)는 축소형 단부(화살표 A) 상에서 대략 20 mm×10 mm이고 확대형 단부(화살표 B) 상에서 40 mm×20 mm인 테이퍼 형상을 생성하도록 2:1의 배율로 설계될 수 있으며, 각각의 장치(310)의 기계적 엔벨로프(320)를 변경하거나 이와 충돌시키지 않으면서 한 어레이의 이들 요소(330)를 함께 심리스로(seamlessly) 정렬하는 능력을 제공한다. 기계적으로, 릴레이 요소들(330)은 장치들(310) 사이의 최소 이음매 간극(340)을 보장하면서 정렬 및 연마하기 위해 함께 접합되거나 융합될 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 눈의 시력 한계보다 작은 이음매 간극(340)을 달성하는 것이 가능하다.
도 4는 함께 형성되고 부가적인 기계적 구조(430)에 견고하게 고정된 에너지 릴레이 요소들(410)을 갖는 베이스 구조체(400)의 일례를 예시한다. 심리스 에너지 표면(420)의 기계적 구조는 릴레이 요소들(410, 450)을 장착하기 위해 접합 또는 다른 기계적 공정을 통해 동일한 베이스 구조체에 직렬로 다수의 에너지 릴레이 요소들(410, 450)을 결합하는 능력을 제공한다. 일부 실시예에서, 각각의 릴레이 요소(410)는 융합, 결합, 접착, 압입, 정렬 또는 그 외의 방식으로 함께 부착되어 결과적인 심리스 에너지 표면(420)을 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 장치(480)는 릴레이 요소(410)의 후방에 장착될 수 있고, 결정된 공차(tolerance) 내에서 적절한 에너지 위치 정렬이 유지되는 것을 보장하기 위해 수동적으로 또는 능동적으로 정렬될 수 있다.
일 실시예에서, 심리스 에너지 표면은 하나 이상의 에너지 위치들을 포함하고, 하나 이상의 에너지 릴레이 요소 스택들은 제1 및 제2 면을 포함하고, 각각의 에너지 릴레이 요소 스택은 하나 이상의 에너지 위치들과 심리스 디스플레이 표면 사이에서 연장되는 전파 경로들을 따라 에너지를 지향시키는 단일의 심리스 디스플레이 표면을 형성하도록 배치되며, 여기서 말단 에너지 릴레이 요소들의 임의의 2개의 인접한 제2 면들의 에지들 사이의 이격 거리는, 단일의 심리스 디스플레이 표면의 폭보다 큰 거리를 두고 20/40 시력보다 좋은 시력을 갖는 인간의 눈의 시력에 의해 한정되는 최소 인지 가능한 윤곽보다 작다.
일 실시예에서, 심리스 에너지 표면들의 각각은 횡 배향(transverse orientation) 및 종 배향(longitudinal orientation)을 갖는 제1 및 제2 표면을 형성하는 하나 이상의 구조체들을 각각 갖는 하나 이상의 에너지 릴레이 요소들을 포함한다. 제1 릴레이 표면은 양 또는 음의 배율을 초래하는 제2 릴레이 표면과는 상이한 영역을 가지며, 제2 릴레이 표면을 통해 에너지를 통과시키는 제1 및 제2 표면 양방 모두에 대해 명시적인 표면 윤곽들로 구성되어 제2 릴레이 표면 전체에 걸친 표면 윤곽의 법선에 대해 +/-10도의 각도를 실질적으로 채운다.
일 실시예에서, 다수의 에너지 도메인들은 시각, 청각, 촉각 또는 다른 에너지 도메인들을 포함하는 하나 이상의 감각 홀로그램 에너지 전파 경로들을 지향하도록 단일 에너지 릴레이 내에 또는 다수의 에너지 릴레이 사이에 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 심리스 에너지 표면은 시스템 전체에 걸쳐 양방향 에너지 전파를 제공하기 위해 하나 이상의 에너지 도메인들을 동시에 수신 및 방출하기 위해 각각의 제2 측면에 대한 2개 이상의 제1 측면들을 포함하는 에너지 릴레이들로 구성된다.
일 실시예에서, 에너지 릴레이들은 느슨한 간섭성(coherent) 요소들로서 제공된다.
컴포넌트 엔지니어링된 구조체들에 대한 소개:
횡 방향 앤더슨 편재 에너지 릴레이들에서의 개시된 진전들
에너지 릴레이들의 특성은 횡 방향 앤더슨 편재를 유도하는 에너지 릴레이 요소들에 대해 본원에 개시된 원리들에 따라 상당히 최적화될 수 있다. 횡 방향 앤더슨 편재는 횡 방향으로 무질서하지만 종 방향으로 일정한 재료를 통해 전송되는 광선의 전파이다.
이것은 앤더슨 편재 현상을 일으키는 재료들의 효과는 다중 산란 경로들 사이의 무작위화에 의한 것보다 내부 전반사에 의한 영향이 더 적을 수 있음을 의미하고, 여기서, 파 간섭은 종 배향의 전파를 지속시키는 반면에 횡 배향의 전파를 완전히 제한할 수 있다.
중요한 부가적인 이점은 종래의 다중-코어 광섬유 재료들의 클래딩(cladding)의 제거이다. 클래딩은 섬유들 사이의 에너지의 산란을 기능적으로 제거하는 것이지만, 동시에 에너지의 광선들에 대한 장벽으로서 작용하므로, 적어도 코어 대 클래드 비율(예컨대, 70:30의 코어 대 클래드 비율은 수신된 에너지 송신을 최대 70%로 송신할 것임)에 의해 송신을 감소시키고, 부가적으로 전파된 에너지에서 강한 픽셀화 패터닝을 형성한다.
도 5a는 광섬유의 본질적인 특성으로 인해 픽실레이션(pixilation) 및 광섬유 노이즈가 나타날 수 있는 다중-코어 광섬유를 통해 이미지가 중계되는, 이러한 비-앤더슨 편재(non-Anderson Localization) 에너지 릴레이(500)의 예의 단면도를 예시한다. 종래의 다중-모드 및 다중-코어 광섬유를 사용하면, 코어들 사이의 임의의 혼선(cross-talk)이 변조 전달 함수를 감소시키고 번짐(blurring)을 증가시킬, 중계된 이미지들은 코어들의 개별 어레이의 내부 전반사의 특성들로 인해 본질적으로 픽셀화될 수 있다. 종래의 다중-코어 광섬유를 이용하여 생성된 결과 이미지는 도 5a에 나타낸 것과 유사한 잔류 고정형 노이즈 섬유 패턴을 갖는 경향이 있다.
도 5b는 도 5a로부터의 고정형 섬유 패턴과 비교하여, 중계된 패턴이 더 큰 밀도의 결정립 구조들을 갖는 횡 방향 앤더슨 편재의 특성들을 나타내는 재료들을 포함하는 에너지 릴레이를 통해 동일한 중계된 이미지(550)의 예를 예시한다. 일 실시예에서, 무작위화된 미세(microscopic) 컴포넌트 엔지니어링된 구조체들을 포함하는 릴레이들은 횡 방향 앤더슨 편재를 유도하고 상업적으로 이용 가능한 다중 모드 유리 광섬유보다 더 높은 분해 가능 해상도의 전파를 이용하여 광을 보다 효율적으로 전송한다.
일 실시예에서, 횡 방향 앤더슨 편재를 나타내는 릴레이 요소는 차원 격자로 배치된 3개의 직교 평면들의 각각에 복수의 적어도 2개의 상이한 컴포넌트 엔지니어링된 구조체들을 포함할 수 있으며, 복수의 구조는 차원 격자 내의 횡단면에서의 물질파 전파 특성들의 무작위화된 분포들 그리고 차원 격자 내의 종단면에서 물질파 전파 특성들의 유사한 값들의 채널들을 형성하며, 여기서 에너지 릴레이를 통해 전파되는 에너지파는 횡 배향에 비해 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 가지며 횡 배향에서 공간적으로 편재화된다.
일 실시예에서, 차원 격자 내의 횡단면에서의 물질파 전파 특성의 무작위 분포는 그 분포의 무작위 특성으로 인해 바람직하지 않은 구성을 야기할 수 있다. 물질파 전파 특성의 무작위 분포는 전체 횡단면에 걸쳐 평균적으로 에너지의 앤더슨 편재를 유도할 수 있지만, 제어되지 않은 무작위 분포의 결과로서 유사한 파동 전파 특성을 갖는 유사한 재료의 제한된 영역이 의도치 않게 형성될 수 있다. 예를 들어, 유사한 물질파 특성을 갖는 이들 국소 영역들의 크기가 의도된 에너지 전송 도메인에 비해 너무 커지면, 재료를 통한 에너지 전송 효율의 잠재적 감소가 있을 수 있다.
일 실시예에서, 릴레이는 광의 횡 방향 앤더슨 편재를 유도함으로써 특정 파장 범위의 가시광을 전송하기 위한 컴포넌트 엔지니어링된 구조체들의 무작위 분포로부터 형성될 수 있다. 그러나, 그 구조체들은 그들의 무작위 분포로 인해 의도치 않게 배열되어, 단일 컴포넌트 엔지니어링된 구조체의 연속 영역이 가시광의 파장보다 몇 배 더 큰 횡단면을 가로질러 형성될 수 있다. 그 결과, 크고 연속적인 단일 재료 영역의 종축을 따라 전파되는 가시광이 줄어든 횡 방향 앤더슨 편재 효과를 겪을 수 있으며, 릴레이를 통한 전송 효율의 저하를 겪을 수 있다.
일 실시예에서, 에너지 릴레이 재료의 횡단면에서의 물질파 전파 특성의 비무작위 패턴(non-random pattern)을 설계하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 비무작위 패턴은 횡 방향 앤더슨 편재와 유사한 방법을 통해 에너지 편재 효과를 이상적으로 유도하는 한편, 무작위 특성 분포에 고유하게 기인하는 비정상적으로 분포된 재료 특성으로 인한 전송 효율의 잠재적 감소를 최소화한다. 에너지 릴레이 요소에서의 횡 방향 앤더슨 편재와 유사한 횡 방향 에너지 편재 효과를 유도하기 위해 물질파 전파 특성들의 비무작위 패턴(non-random pattern)을 사용하는 것을 이하에서는 정렬된 에너지 편재(Ordered Energy Localization)라고 칭해질 것이다.
일 실시예에서, 다수의 에너지 도메인들은 시각, 청각, 촉각 또는 다른 에너지 도메인들을 포함하는 하나 이상의 감각 홀로그램 에너지 전파 경로들을 지향하도록 단일 에너지 릴레이 내에 또는 다수의 정렬된 에너지 편재 에너지 릴레이 사이에 구성될 수 있다. 다수의 에너지 도메인의 에너지를 전송하도록 구성된 릴레이의 원리들 및 예들은 공동 소유의 미국 특허 제10,884,251호에 기술되어 있으며, 본원에 그 전체가 원용되어 포함된다.
일 실시예에서, 심리스 에너지 표면은 시스템 전체에 걸쳐 양방향 에너지 전파를 제공하기 위해 하나 이상의 에너지 도메인들을 동시에 수신 및 방출하기 위해 각각의 제2 면에 대한 2개 이상의 제1 면들을 포함하는 정렬된 에너지 편재 에너지 릴레이들로 구성된다.
일 실시예에서, 정렬된 에너지 편재 에너지 릴레이들은 느슨한 간섭성 또는 가요성 에너지 릴레이 요소들로서 구성된다.
4D 플렌옵틱(Plenoptic) 함수들에 대한 고려사항:
홀로그램 도파관 어레이들을 통한 에너지의 선택적 전파
전술한 바와 같이, 본 명세서 전반에 걸쳐서, 광 필드 디스플레이 시스템은 일반적으로 에너지원(예컨대, 조명 소스) 및 상기의 설명에서 언급된 바와 같이 충분한 에너지 위치 밀도로 구성된 심리스 에너지 표면을 포함한다. 다수의 릴레이 요소들은 에너지를 에너지 장치들로부터 심리스 에너지 표면으로 중계하는 데 사용될 수 있다. 필요한 에너지 위치 밀도로 심리스 에너지 표면에 에너지가 전달되면, 에너지는 개시된 에너지 도파관 시스템을 통해 4D 플렌옵틱 함수에 따라 전파될 수 있다. 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 4D 플렌옵틱 함수들은 당업계에 주지되어 있으며 본원에서는 더 자세히 설명하지 않을 것이다.
에너지 도파관 시스템은, 4D 플렌옵틱 함수의 각도 성분을 나타내는, 통과하는 에너지파의 각도 방향을 변경하도록 구성된 구조를 갖는 4D 플렌옵틱 함수의 공간 좌표를 나타내는 심리스 에너지 표면을 따르는 복수의 에너지 위치들을 통해 에너지를 선택적으로 전파하되, 전파된 에너지파는 4D 플렌옵틱 함수에 의해 지향된 복수의 전파 경로들에 따라 공간에서 수렴할 수 있다.
이제 4D 플렌옵틱 함수에 따른 4D 이미지 공간에서의 광 필드 에너지 표면의 예를 나타내는 도 6을 참조한다. 이 도면은 시야 체적 내의 다양한 위치로부터 에너지의 광선들이 공간(630)에서 수렴하는 방법을 설명하는 관찰자(620)에 대한 에너지 표면(600)의 광선 트레이스(trace)들을 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 각각의 도파관 요소(610)는 에너지 표면(600)을 통한 에너지 전파(640)를 기술하는 정보의 4차원을 한정한다. 2개의 공간 차원들(본원에서 x 및 y로 지칭됨)은 이미지 공간에서 볼 수 있는 물리적인 복수의 에너지 위치들이고, 가상 공간에서 관찰되는 각도 성분들인 세타(theta) 및 파이(phi)(본원에서 u 및 v로 지칭됨)이며, 이는 에너지 도파관 어레이를 통해 투영될 때 가상 공간에서 관찰된다. 일반적으로 그리고 4D 플렌옵틱 함수에 따라, 복수의 도파관(예컨대, 렌즈릿(lenslet)들)은, 본원에 기술된 홀로그램 또는 광 필드 시스템을 형성함에 있어서, x, y 차원로부터 가상 공간에서의 고유한 위치로 u, v 각도 컴포넌트에 의해 한정된 방향을 따라 에너지 위치를 지향시킬 수 있다.
하지만, 광 필드 및 홀로그램 디스플레이 기술들에 대한 중요한 도전은 회절, 산란, 확산, 각도 방향, 교정, 포커스, 시준(collimation), 곡률, 균일성, 요소 혼선뿐만 아니라 감소된 유효 해상도 그리고 충분한 충실도로 정확하게 에너지를 수렴하는 것에 대한 불능에 기여하는 다수의 다른 파라미터들 중 임의의 것을 정확히 설명하지 않은 설계들로 인해 제어되지 않은 에너지의 전파로부터 발생한다는 것을 당업자는 이해할 것이다.
일 실시예에서, 홀로그램 디스플레이와 연관된 도전 과제들을 해결하기 위한 선택적 에너지 전파에 대한 접근법은 에너지 억제 요소들을 포함할 수 있고, 4D 플렌옵틱 함수에 의해 정의된 환경 내에 거의 시준된 에너지로 도파관 개구들을 실질적으로 채우는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 한 어레이의 에너지 도파관들은 규정된 4D 함수에 의해 정의된 고유한 방향들로 도파관 요소의 유효 개구를 통해 연장되어, 단일 도파관 요소만을 통과하도록 각각의 에너지 위치의 전파를 제한하도록 배치된 하나 이상의 요소들에 의해 억제된 심리스 에너지 표면을 따르는 복수의 에너지 위치들에 실질적으로 채우도록 구성된 각각의 도파관 요소에 대한 복수의 에너지 전파 경로들을 한정할 수 있다.
일 실시예에서, 다수의 에너지 도메인들은 시각, 청각, 촉각 또는 다른 에너지 도메인들을 포함하는 하나 이상의 감각 홀로그램 에너지 전파들을 지향하도록 단일 에너지 도파관 내에 또는 다수의 에너지 도파관들 사이에 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 에너지 도파관들 및 심리스 에너지 표면은 시스템 전체에 걸쳐 양방향 에너지 전파를 제공하기 위해 하나 이상의 에너지 도메인들을 수신 및 방출하도록 구성된다.
일 실시예에서, 에너지 도파관들은, 벽, 테이블, 바닥, 천장, 실내 또는 기타 기하학적 형태 기반의 환경들을 포함하는 임의의 심리스 에너지 표면 배향을 위해 디지털 방식으로 인코딩된, 회절식, 굴절식, 반사식, 그린식(grin), 홀로그램, 프레넬(Fresnel) 등의 도파관 구성들을 활용하여, 비-송신 공극(void) 영역들을 포함하는 비선형 또는 비규칙적 에너지의 분포들을 전파하도록 구성된다. 추가적인 일 실시예에서, 에너지 도파관 요소는 임의의 표면 프로파일 및/또는 탁상 시야(tabletop viewing)를 제공하는 다양한 기하학적 형태들을 생성하도록 구성되어, 사용자가 360도 구성에서 에너지 표면 주위의 모든 곳에서 홀로그램 이미지를 볼 수 있게 한다.
일 실시예에서, 에너지 도파관 어레이 요소들은 반사 표면들일 수 있고, 요소들의 배치는 육각형, 정사각형, 불규칙형, 반정칙형(semi-regular), 만곡형, 비평면형, 구형, 원통형, 틸트형(tilted) 규칙형, 틸트형 불규칙형, 공간적 변화형 및/또는 다중 계층형일 수 있다.
심리스 에너지 표면 내의 임의의 컴포넌트에 대해서는, 도파관, 또는 릴레이 컴포넌트들은, 광섬유, 실리콘, 유리, 폴리머, 광학 릴레이들, 회절, 홀로그램, 굴절, 또는 반사 요소들, 광학면 판, 에너지 결합기들, 빔 스플리터들, 프리즘들, 편광 요소들, 공간 광 변조기들, 능동 픽셀들, 액정 셀들, 투명 디스플레이들, 또는 앤더슨 편재 또는 내부 전반사를 나타내는 임의의 유사한 재료들을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
홀로덱을 실현하는 것:
홀로그램 환경들 내에서 인간의 감각 수용체들을 자극하는 양방향 심리스 에너지 표면 시스템들의 집성
전체 룸(room)들을 포함하는 임의의 크기들, 형상들, 윤곽들 또는 폼 팩터들을 형성하는 다수의 심리스 에너지 표면들을 함께 타일링(tiling), 융합, 본딩, 부착 및/또는 스티칭(stitching)함으로써 심리스 에너지 표면 시스템들의 대규모 환경들을 구축하는 것이 가능하다. 각각의 에너지 표면 시스템은 양방향 홀로그램 에너지 전파, 방출, 반사 또는 감지를 위해 집합적으로 구성된 베이스 구조체, 에너지 표면, 릴레이들, 도파관, 장치들 및 전자 장치를 갖는 어셈블리를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 타일링된 심리스 에너지 시스템들의 환경은 소정의 환경에서 모든 표면을 포함하는 설비들을 포함하는 대형의 심리스 평면형 또는 만곡형 벽들을 형성하도록 집성되며, 심리스, 불연속의 평면형, 각면형, 만곡형, 원통형, 구형, 기하 또는 비규칙적 기하학적 구조의 임의의 조합으로서 구성된다.
일 실시예에서, 평면의 표면들의 집성된 타일(tile)들은 무대 또는 장소 기반의 홀로그램 엔터테인먼트를 위한 벽 크기의 시스템들을 형성한다. 일 실시예에서, 평면의 표면들의 집성된 타일들은 동굴 기반의 홀로그램 설비들을 위해 천장과 바닥 양방 모두를 포함하는 4개 내지 6개의 벽들을 갖는 룸을 커버한다. 일 실시예에서, 만곡형 표면들의 집성된 타일은 몰입형(immersive) 홀로그램 설비들을 위한 원통형의 심리스 환경을 생성한다. 일 실시예에서, 심리스 구형 표면들의 집성된 타일들은 몰입형 홀로덱 기반의 경험들을 위한 홀로그램 돔을 형성한다.
일 실시예에서, 심리스 만곡형 에너지 도파관들의 집성된 타일들은 에너지 도파관 구조체 내의 에너지 억제 요소들의 경계를 따른 정확한 패턴을 따르는 기계적 에지들을 제공하여, 인접한 도파관 표면들의 인접한 타일링된 기계적 에지들을 결합, 정렬 또는 융합시키고, 그 결과 모듈식 및 심리스 에너지 도파관 시스템이 생겨난다.
집성된 타일링 환경의 다른 실시예에서, 에너지는 다수의 동시 에너지 도메인들에 대해 양방향으로 전파된다. 추가적인 일 실시예에서, 에너지 표면은 광 필드 데이터가 도파관을 통해 조명원에 의해 투영되고 동시에 동일한 에너지 표면을 통해 수신될 수 있도록 설계된 도파관들을 갖는 동일한 에너지 표면으로부터 동시에 디스플레이 및 캡처하는 능력을 제공한다. 추가적인 일 실시예에서, 추가 깊이 감지 및 능동 스캐닝 기술들이 활용되어 정확한 세계 좌표계에서 에너지 전파와 관찰자 사이의 상호 작용을 허용할 수 있다. 추가적인 일 실시예에서, 에너지 표면 및 도파관은 주파수들을 방출, 반사, 또는 수렴하여 촉각 감각 또는 체적 햅틱 피드백을 유도하도록 동작 가능하다. 일부 실시예에서, 양방향 에너지 전파 및 집성된 표면들의 임의의 조합이 가능하다.
일 실시예에서, 시스템은 적어도 2개의 에너지 장치를 심리스 에너지 표면의 동일한 부분에 페어링할 수 있도록 2개 이상의 경로 에너지 결합기들과 독립적으로 페어링된 하나 이상의 에너지 장치들을 이용하여 에너지 표면을 통한 에너지의 양방향 방출 및 감지가 가능한 에너지 도파관을 포함하거나, 또는 하나 이상의 에너지 장치들이 베이스 구조체에 또는 축외(off-axis)의 직접 또는 반사 투영 또는 감지를 위해 도파관의 FOV의 전방 및 외측에서의 위치에 고정된 부가적인 컴포넌트에 근접하여 에너지 표면 뒤에 고정되고, 또한 결과적인 에너지 표면은 도파관이 에너지를 수렴할 수 있게 하는 에너지의 양방향 송신, 에너지를 방출하는 제1 장치 및 에너지를 감지하는 제2 장치를 제공하며, 여기서 정보는 전파된 에너지 패턴들, 깊이 추정, 근접도, 모션 추적, 이미지, 색상 또는 사운드 형성 또는 기타 에너지 주파수 분석 내에서 4D 플렌옵틱 눈 및 망막 추적 또는 간섭의 감지를 포함하는, 하지만 이에 한정되지는 않는, 컴퓨터 비전 관련 작업들을 수행하도록 처리된다. 추가적인 일 실시예에서, 추적된 위치들은 양방향 캡처된 데이터와 투영 정보 간의 간섭에 기초하여 에너지의 위치들을 능동적으로 계산 및 수정한다.
일부 실시예에서, 초음파 센서, 가시적인 전자기 디스플레이 및 초음파 방출 장치를 포함하는 3개의 에너지 장치들의 복수의 조합들은, 각각의 장치의 에너지 도메인, 그리고 초음파 및 전자기 에너지 각각을 위해 구성된 2개의 엔지니어링된 도파관 요소들에 특정한 엔지니어링된 특성들을 포함하는 3개의 제1 표면들의 각각과 함께 단일의 제2 에너지 릴레이 표면에 결합된 에너지를 전파하는 3개의 제1 릴레이 표면들의 각각에 대해 함께 구성되어, 별도의 에너지 도메인을 위해 구성된 다른 도파관 요소들에 의해 독립적으로 그리고 실질적으로 영향을 받지 않은 각각의 장치의 에너지를 지향 및 수렴하는 능력을 제공한다.
일부 실시예에서, 시스템 아티팩트(artifact)들을 제거하고 인코딩/디코딩 기술들과 함께 사용하기 위해 결과적인 에너지 표면의 기하학적 매핑을 생성하기 위한 효율적인 제조를 가능하게 하는 교정 절차뿐만 아니라 교정된 구성 파일들에 기초하여 데이터를 에너지 전파에 적절한 교정된 정보로 변환하기 위한 전용 통합 시스템이 개시된다.
일부 실시예에서, 일련의 부가적인 에너지 도파관들 및 하나 이상의 에너지 장치들이 불투명한 홀로그램 픽셀들을 생성하기 위해 시스템에 통합될 수 있다.
일부 실시예에서, 도파관의 직경보다 큰 공간 해상도 및/또는 각도 해상도를 제공하기 위해 또는 다른 초해상도(super-resolution) 목적을 위해 에너지 억제 요소들, 빔 스플리터들, 프리즘들, 능동 시차 배리어들 또는 편광 기술들을 포함하는 부가적인 도파관 요소들이 통합될 수 있다.
일부 실시예에서, 개시된 에너지 시스템은 또한 가상 현실(VR) 또는 증강 현실(AR)과 같은 착용형 양방향 장치로서 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 에너지 시스템은 디스플레이되거나 수신된 에너지를 관찰자를 위한 공간 내의 결정된 평면에 근접하게 포커싱시키는 조정 광학 요소(들)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 도파관 어레이는 홀로그램 헤드 장착식 디스플레이에 통합될 수 있다. 다른 실시예에서, 시스템은 관찰자가 에너지 시스템 및 실제 환경(예컨대, 투과형 홀로그램 디스플레이) 양방 모두를 볼 수 있게 하는 다수의 광학 경로들을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 시스템은 다른 방법들에 더하여 근시야로서 제시될 수 있다.
일부 실시예에서, 데이터의 송신은 정보 및 메타데이터의 임의의 데이터세트를 수신하는 선택 가능하거나 가변적인 압축 비율들로 공정들을 인코딩하는 것; 상기 데이터세트를 분석하고, 더 희박한 데이터세트를 형성하는 재료 특성들, 벡터들, 표면 ID들, 새로운 픽셀 데이터를 수신 또는 할당하며, 수신된 데이터는 2D, 입체, 멀티 뷰, 메타데이터, 광 필드, 홀로그램, 기하학적 형태, 벡터들 또는 벡터화된 메타데이터를 포함하고, 인코더/디코더는, 깊이 메타데이터를 갖거나 갖지 않은 깊이 추정 알고리즘들을 통해, 2D; 2D + 깊이, 메타데이터 또는 기타 벡터화된 정보; 입체, 입체 + 깊이, 메타데이터 또는 기타 벡터화된 정보; 멀티 뷰; 멀티 뷰 + 깊이, 메타데이터 또는 기타 벡터화된 정보; 홀로그램; 또는 광 필드 콘텐츠에 대한 이미지 처리를 포함하여 실시간 또는 오프라인에서의 데이터를 변환하는 능력을 제공할 수 있으며, 역 광선 추적 방법은 특성화된 4D 플렌옵틱 함수를 통해 다양한 2D, 입체, 다중 뷰, 체적, 광 필드 또는 홀로그램 데이터로부터의 역 광선 추적에 의해 생성된 결과적인 변환 데이터를 실제 좌표들에 적절히 매핑한다. 이들 실시예에서, 원하는 전체 데이터 송신은 원시 광 필드 데이터세트보다 다수의 자릿수만큼 덜 송신된 정보일 수 있다.
테이퍼형 에너지 릴레이들
연장된 기계적 엔벨로프들을 포함하는 한 어레이의 개별 에너지파 소스들로부터 고해상도를 생성하는 문제를 추가로 해결하기 위해 테이퍼형 에너지 릴레이들의 사용이 각각의 에너지원의 유효 크기를 증가시키는 데 채용될 수 있다. 한 어레이의 테이퍼형 에너지 릴레이들이 함께 스티치되어 단일의 인접한 에너지 표면을 형성할 수 있으며 이러한 에너지원들에 대한 기계적 요건의 한계를 피할 수 있다.
일 실시예에서, 하나 이상의 에너지 릴레이 요소들은 하나 이상의 에너지 위치들과 단일의 심리스 에너지 표면 사이에서 연장되는 전파 경로들을 따라 에너지를 지향시키도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 에너지파 소스의 능동 영역이 20 mm×10 mm이고 기계적 엔벨로프가 40 mm×20 mm라면, 테이퍼형 에너지 릴레이는 축소된 단부 상에 20 mm×10 mm(절삭시)이고 확대형 단부 상에 40 mm×20 mm(절단시)인 테이퍼를 생성하도록 2:1의 배율로 설계될 수 있으며, 각각의 에너지파 소스의 기계적 엔벨로프를 변경 또는 위반하지 않으면서 한 어레이의 이들 테이퍼를 함께 심리스로 정렬할 수 있는 능력을 제공한다.
도 26은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 하나의 이러한 테이퍼형 에너지 릴레이 모자이크 배열체(7400)를 예시한다. 도 26에서, 릴레이 장치(7400)는 2개 이상의 릴레이 요소들(7402)을 포함할 수 있으며, 각각의 릴레이 요소(7402)는 하나 이상의 구조체들로 형성되며, 각각의 릴레이 요소(7402)는 제1 표면(7406), 제2 표면(7408), 횡 배향(표면들(7406, 7408)에 대체로 평행) 및 종 배향(표면들(7406, 7408)에 대해 대체로 수직)을 갖는다. 제1 표면(7406)의 표면적은 제2 표면(7408)의 표면적과 상이할 수 있다. 릴레이 요소(7402)에 있어서는, 제1 표면(7406)의 표면적은 제2 표면(7408)의 표면적보다 작다. 또 다른 실시예에서, 제1 표면(7406)의 표면적은 제2 표면(7408)의 표면적과 동일하거나 더 클 수 있다. 에너지 파들은 제1 표면(7406)으로부터 제2 표면(7408)으로 또는 그 반대로 통과할 수 있다.
도 26에서, 릴레이 요소 장치(7400)의 릴레이 요소(7402)는 제1 표면(7406)과 제2 표면(7408) 사이에 경사진 프로파일 부분(7404)을 포함한다. 작동 시, 제1 표면(7406)과 제2 표면(7408) 사이에서 전파하는 에너지파는 횡 배향보다 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 가질 수 있으며, 릴레이 요소(7402)를 통과하는 에너지 파는 공간 확대 또는 공간 축소를 야기할 수 있다. 다시 말하면, 릴레이 요소 장치(7400)의 릴레이 요소(7402)를 통과하는 에너지 파는 배율 증가 또는 배율 감소를 경험할 수 있다. 일 실시예에서, 에너지는 배율이 0인 하나 이상의 에너지 릴레이 요소들을 통해 지향될 수 있다. 일부 실시예에서, 릴레이 요소 장치들을 형성하기 위한 하나 이상의 구조체들은 유리, 탄소, 광섬유, 광학 필름, 플라스틱, 폴리머, 또는 이들의 혼합물들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 표면을 통과하는 에너지파는 제1 해상도를 갖는 한편, 제2 표면을 통과하는 에너지파는 제2 해상도를 가지며, 제2 해상도는 제1 해상도의 약 50% 이상이다. 다른 실시예에서, 에너지파는 제1 표면에 제공될 때 균일한 프로파일을 가지지만, 전방 방향으로 에너지 밀도를 갖는 모든 방향으로 방사하는 제2 표면을 통과할 수 있으며, 이것은 제2 릴레이 표면 상의 위치에 관계없이, 제2 표면의 법선에 대하여 +/- 10도의 개방 각도로 원추를 실질적으로 채우게 된다.
일부 실시예에서, 제1 표면은 에너지파 소스로부터 에너지를 수신하도록 구성될 수 있으며, 에너지파 소스는 제1 표면 및 제2 표면 중 적어도 하나의 폭과는 상이한 폭을 갖는 기계적 엔벨로프를 포함한다.
일 실시예에서, 종 배향을 한정하는 제1 및 제2 표면들 사이에서 에너지가 전송될 수 있고, 릴레이들의 각각의 제1 및 제2 표면들은 일반적으로, 종 배향이 횡 배향에 대해 실질적으로 법선인, 제1 및 제2 방향에 의해 한정되는 횡 배향을 따라 연장된다. 일 실시예에서, 복수의 릴레이들을 통해 전파하는 에너지파는 횡 배향보다 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 가지며, 횡 방향 앤더슨 편재의 원리를 통해 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 결합된 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 변동성으로 인해 횡단면에서 공간적으로 편재화된다. 각각의 릴레이가 멀티코어 섬유로 구성되는 일부 실시예에서, 각각의 릴레이 요소 내에서 전파하는 에너지파는 이러한 배향의 섬유 정렬에 의해 결정되는 종 배향에서 이동할 수 있다.
기계식으로, 이러한 테이퍼형 에너지 릴레이들은 함께 접합되거나 융합되기 전에 고도의 정확도로 절삭 및 연마되어, 릴레이들이 정렬되도록 하고 릴레이들 사이의 가능한 최소 이음매 간극이 보장되도록 한다. 에너지 릴레이들의 제2 표면들에 의해 형성된 심리스 표면은 릴레이들이 접합된 후 연마된다. 하나의 이러한 실시예에서, 테이퍼 재료에 열적으로 정합되는 에폭시를 사용하여, 최대 이음매 간극을 50 ㎛로 달성하는 것이 가능하다. 다른 실시예에서, 압축 및/또는 가열 하에 테이퍼 어레이를 배치하는 제조 공정은 요소들을 함께 융합하는 능력을 제공한다. 다른 실시예에서, 플라스틱 테이퍼의 사용은 부가적인 접합없이 접합을 생성하기 위해 보다 용이하게 화학적으로 융합되거나 열처리될 수 있다. 의심의 여지를 없애기 위해, 중력 및/또는 힘 이외의 접합을 명시적으로 포함하지 않도록 어레이를 함께 접합시키기 위해 임의의 방법론이 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 말단 에너지 릴레이 요소들의 임의의 2개의 인접한 제2 표면들의 에지들 사이의 이격 거리는, 단일의 심리스 에너지 표면의 높이 또는 단일의 심리스 에너지 표면의 폭 중에서 더 작은 것인 심리스 에너지 표면으로부터의 거리에서의 20/40 시력을 갖는 인간의 눈의 시력에 의해 한정되는 최소 인지 가능한 윤곽보다 작을 수 있다.
기계적 구조는 특정 공차 사양을 충족시키는 방식으로 다수의 컴포넌트를 유지하는 데 바람직할 수 있다. 일부 실시예에서, 테이퍼형 릴레이 요소들의 제1 및 제2 표면들은 원형, 타원형, 계란형(oval), 삼각형, 정사각형, 직사각형, 평행사변형, 사다리꼴, 마름모형, 오각형, 육각형 등을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 임의의 다각형 형태를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 직사각형 테이퍼들과 같은 비-정사각형 테이퍼들에 대해서는, 예를 들어, 릴레이 요소들은 전체 에너지원의 최대 치수들에 평행한 최소 테이퍼 치수를 갖도록 회전될 수 있다. 이 접근법은 에너지원의 중심점에서 보았을 때와 같이 확대된 릴레이 요소의 수용 원추로 인해 광의 광선의 가장 낮은 거부를 나타내는 에너지원의 최적화를 허용한다. 예를 들어, 원하는 에너지원 크기가 100 mm×60 mm이고 각각의 테이퍼형 에너지 릴레이가 20 mm×10 mm이면, 릴레이 요소들은 한 어레이의 3×10개 테이퍼 에너지 릴레이 요소들이 결합되어 원하는 에너지원 크기를 생성할 수 있도록 정렬 및 회전될 수 있다. 어떠한 것도, 여기에 다른 조합들 중에서 6×5 매트릭스의 어레이의 대안적인 구성을 갖는 어레이가 이용될 수 없다는 것을 제안하지 않아야 한다. 3×10 레이아웃으로 구성된 어레이는 일반적으로 대안적인 6×5 레이아웃보다 우수하게 수행할 것이다.
에너지 릴레이 요소 스택들
에너지원 시스템의 가장 단순한 형성은 단일 테이퍼형 에너지 릴레이 요소에 접합된 에너지원을 포함하지만, 다수의 릴레이 요소들이 결합되어 증가된 품질 또는 가요성을 갖는 단일 에너지원 모듈을 형성할 수 있다. 그러한 일 실시예는 에너지원에 부착된 축소된 단부를 갖는 제1 테이퍼형 에너지 릴레이와, 제1 릴레이 요소에 연결된 제2 테이퍼형 에너지 릴레이를 포함하며, 제1 릴레이 요소의 확대형 단부와 접촉하는 제2 광학 테이퍼의 축소된 단부는 2개의 개별 테이퍼 배율들의 곱과 동일한 총 배율을 생성한다. 이것은 둘 이상의 에너지 릴레이 요소들의 시퀀스로 구성된 에너지 릴레이 요소 스택의 예이며, 각각의 에너지 릴레이 요소는 제1 측면 및 제2 측면을 포함하며, 스택은 제1 요소의 제1 표면으로부터, 말단 표면으로도 또한 지칭되는, 시퀀스에서의 마지막 요소의 제2 표면으로 에너지를 중계한다. 각각의 에너지 릴레이 요소는 그것을 통해서 에너지를 지향시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 에너지 지향 장치는 하나 이상의 에너지 위치들 및 하나 이상의 에너지 릴레이 요소 스택들을 포함한다. 각각의 에너지 릴레이 요소 스택은 하나 이상의 에너지 릴레이 요소들을 포함하고, 각각의 에너지 릴레이 요소는 제1 표면 및 제2 표면을 포함한다. 각각의 에너지 릴레이 요소는 그것을 통해서 에너지를 지향시키도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 에너지 릴레이 요소 스택의 말단 에너지 릴레이 요소들의 제2 표면들은 단일의 심리스 디스플레이 표면을 형성하도록 배열될 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 에너지 릴레이 요소 스택들은 하나 이상의 에너지 위치들과 단일의 심리스 디스플레이 표면들 사이에서 연장되는 에너지 전파 경로들을 따라 에너지를 지향시키도록 구성될 수 있다.
도 27은 본 개시내용의 실시예에 따른 것으로, 양방의 테이퍼가 에너지원 표면(7506)에 대향하는 축소형 단부들을 갖는, 2개의 복합형 광학 릴레이 테이퍼들(7502, 7504)이 직렬로 구성된 에너지 릴레이 요소 스택(7500)의 측면도를 예시한다. 도 27에서, 입력 개구 수(NA: numerical aperture)는 테이퍼(7504)의 입력에 있어서는 1.0이지만, 테이퍼(7502)의 출력에 있어서는 단지 약 0.16이다. 출력 개구 수는 테이퍼(7504)에 있어서의 2와 테이퍼(7502)에 있어서의 3의 곱인 총 6 배율로 분할됨에 유의한다. 이 접근법의 한 가지 이점은 제2 에너지파 릴레이 요소의 변경없이 에너지원의 다양한 치수들을 설명하기 위해 제1 에너지파 릴레이 요소를 개별 맞춤화하는 능력이다. 또한 에너지원 또는 제1 릴레이 요소의 설계를 변경하지 않고도 출력 에너지 표면의 크기를 변경할 수 있는 유연성을 제공한다. 또한, 에너지원 구동 전자 장치를 포함하는 에너지원(7506) 및 기계적 엔벨로프(7508)를 도 27에 나타낸다.
일 실시예에서, 제1 표면은 에너지원 유닛(예를 들어, 7506)으로부터 에너지파를 수신하도록 구성될 수 있으며, 에너지원 유닛은 제1 표면 및 제2 표면 중 적어도 하나의 폭과는 상이한 폭을 갖는 기계적 엔벨로프를 포함한다. 일 실시예에서, 제1 표면을 통과하는 에너지파는 제1 해상도를 갖는 한편, 제2 표면을 통과하는 에너지파는 제2 해상도를 갖게 되어, 제2 해상도는 제1 해상도의 약 50% 이상이다. 다른 실시예에서, 에너지파는 제1 표면에 제공될 때 균일한 프로파일을 가지지만, 전방 방향으로 에너지 밀도를 갖는 모든 방향으로 방사하는 제2 표면을 통과할 수 있으며, 이것은 제2 릴레이 표면 상의 위치에 관계없이, 제2 표면의 법선에 대하여 +/- 10도의 개방 각도로 원추를 실질적으로 채우게 된다.
일 실시예에서, 적층 구성에서의 복수의 에너지 릴레이 요소들은 복수의 면판(faceplate)(1 배율을 갖는 릴레이들)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 면판은 상이한 길이를 가질 수 있거나 또는 느슨한 간섭성 광학 릴레이일 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 요소들은 도 27의 프로파일 부분과 유사한 경사진 프로파일 부분들을 가질 수 있으며, 여기서, 경사진 프로파일 부분들은 각진형, 직선형, 만곡형, 테이퍼형, 각면형이거나, 또는 릴레이 요소의 법선 축에 대하여 수직이 아닌 각도로 정렬될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 복수의 릴레이 요소들을 통해 전파하는 에너지파는 횡 배향보다 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 가지며, 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 결합된 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 변동성으로 인해 횡 배향에서 공간적으로 편재화된다. 각각의 에너지 릴레이가 멀티코어 섬유로 구성되는 실시예들에서, 각각의 릴레이 요소 내에서 전파하는 에너지파는 이러한 배향의 섬유 정렬에 의해 결정되는 종 배향에서 이동할 수 있다.
광학 이미지 릴레이 및 테이퍼 요소
매우 조밀한 섬유 다발들이 광을 픽셀 가간섭성(coherency)과 높은 투과율로 중계될 수 있게 하는 수많은 재료들로 제조될 수 있다. 광섬유는 유리, 플라스틱, 또는 유사한 매체의 투명한 섬유를 따라 광을 안내한다. 이 현상은 내부 전반사라고 하는 개념에 의해 제어된다. 광선이 재료의 임계각 내에 포함되고 더 조밀한 재료의 방향에서 입사되는 경우, 광선은 굴절률이 다른 2개의 투명한 광학 재료 사이에서 내부 전반사될 것이다.
도 28은 최대 수광각이 Ø(7608)(또는 재료의 NA)인 코어-클래드 릴레이(7600), 굴절률이 다른 코어(7612) 및 클래드(7602) 재료를 통한 내부 반사의 기본 원리와, 반사된 광선(7604) 및 굴절된 광선(7610)을 설명하고 있다. 일반적으로, 광의 투과율은 반사 당 0.001% 미만만큼 감소하고, 직경이 약 50 마이크론인 섬유는 피트 당 3,000 번 반사할 수 있는데, 이는 다른 복합 광학 방법론에 비해 빛 투과가 얼마나 효율적인지 이해하는 데 도움이 된다.
입사각(I)과 굴절각(R) 사이의 관계를 다음과 같은 스넬(Snell)의 법칙에 따라 계산할 수 있다: 
, 여기서 n 1 은 공기의 굴절률이고 n 2 는 코어 재료(7612)의 굴절률이다.
광섬유 기술분야의 숙련자는 집광 파워, 최대 수광각, 및 광이 광섬유 재료를 통해 어떻게 이동하는지를 이해하는 데 필요한 기타 계산과 관련된 추가 광학 원리를 이해할 것이다. 광섬유 재료는 다음의 실시예들에서 설명되는 바와 같이 광의 초점을 맞추는 방법론이라기보다는 광의 릴레이로 간주되어야 하므로, 이 개념을 이해하는 것은 중요하다.
광섬유에서 출사되는 광의 각도 분포를 이해하는 것은 본 개시내용에 중요하며, 입사각에 기초하여 예상되는 것과 동일하지 않을 수 있다. 광선(7610)의 출사 방위각은 섬유의 최대 수광각(7608), 길이, 및 직경뿐만 아니라 재료의 기타 파라미터들에 따라 빠르게 변하는 경향이 있기 때문에, 출사 광선은 입사각과 굴절각에 의해 한정된 원추형으로 섬유에서 출사되는 경향이 있다.
도 29는 광섬유 릴레이 시스템(7704) 및 광섬유(7704)에 입사하는 광선(7702)이 어떻게 특정 방위각 Ø를 갖는 광(7706)의 원추형 분포로 출사될 수 있는지를 입증한다. 이 효과는 광섬유를 통해 레이저 포인터를 비춤으로써 관찰할 수 있고, 표면의 다양한 거리와 각도에서 출력 광선을 볼 수 있다. 원추형 영역 전체(예를 들어, 원추형의 반경뿐만 아니라)에 걸쳐 광이 분포하는 원추형 출사는 제안된 디자인으로 진행하는 데 중요한 개념이 될 것이다.
섬유 재료의 투과 손실의 주요 원인은 클래딩, 재료 길이, 및 수광각을 벗어난 광선에 있어서의 광 손실이다. 클래딩은, 코어를 절연하기 위해서 그리고 광선이 개별 섬유 사이를 이동하는 것을 완화시키는 데 도움이 되도록 하기 위해, 각 개별 섬유를 더 큰 다발 내에 둘러싸는 재료이다. 이 외에도 벽외 흡수(EMA: extra mural absorption)라고 하는 수광각 외부의 광을 흡수하기 위해 추가적인 불투명 재료를 사용할 수 있다. 두 재료 모두 콘트라스트, 산란, 및 다수의 기타 요인의 관점에서 화질을 개선하는 데 도움이 될 수 있지만 입구에서 출구까지의 총 광 투과율을 줄일 수 있다. 간결성을 위해, 클래드에 대한 코어의 백분율은 광 손실의 원인들 중 하나일 수 있으므로 광섬유의 대략적인 투과 잠재력을 이해하는 데 사용할 수 있다. 대부분의 재료에서 코어 대 클래드 비율은 대략 약 50%내지 약 80%의 범위에 있을 수 있지만, 다른 유형의 재료를 사용할 수 있으며 이는 아래 논의에서 살펴볼 것이다.
각 광섬유는 광섬유 직경 당 대략 0.5개의 사진 선 쌍을 분해할 수 있으므로, 픽셀을 중계할 때 픽셀 당 하나 초과의 광섬유를 갖는 것이 중요할 수 있다. 일부 실시예에서, 픽셀 당 수십 개 정도가 이용될 수 있거나, 3개 이상의 섬유가 허용될 수 있는데, 이는 각각의 섬유 사이의 평균 해상도가 이들 재료를 활용할 때 관련 MTF 손실을 완화하는 데 도움이 되기 때문이다.
일 실시예에서, 광섬유는 광섬유 면판의 형태로 구현될 수 있다. 면판은 단일 또는 다중, 또는 다중-다중 섬유의 집합으로서, 함께 융합되어 진공 기밀 유리판을 형성한다. 이 판은 면판의 한 면에 제공된 이미지가 고효율로 외부 표면으로 전송될 수 있으므로 이론적으로는 두께가 0인 윈도우로 간주될 수 있다. 전통적으로 이러한 면판은 약 6 마이크론 이상의 피치를 가진 개별 섬유들로 구성될 수 있지만, 궁극적으로 콘트라스트와 화질을 감소시킬 수 있는 클래딩 재료의 효과에도 불구하고 더 높은 밀도가 달성될 수 있다.
일부 실시예에서, 광섬유 다발은 테이퍼형으로 할 수 있고, 그에 따라 각 표면의 각기 다른 크기와 그에 상응하는 배율을 가진 픽셀의 간섭성 매핑이 이루어지게 된다. 예를 들어, 확대된 단부는 더 큰 섬유 피치 및 더 높은 배율을 갖는 광섬유 요소 측을 지칭할 수 있고, 축소된 단부는 더 작은 섬유 피치 및 더 낮은 배율을 갖는 광섬유 요소 측을 지칭할 수 있다. 다양한 형태를 생성하는 공정은 가열 및 원하는 배율의 제작을 포함할 수 있으며, 이는 테이퍼 상의 위치 및 NA에 따라, 광섬유의 원래 피치를 원래 크기에서 더 작은 피치로 물리적으로 변경하여 수광각을 변경할 수 있다. 또 다른 요인은 제조 공정이 편평한 표면에 대한 섬유의 직각도를 왜곡시킬 수 있다는 것이다. 많은 것들 중에서도 특히 테이퍼 디자인과 관련된 과제들 중 하나는 각 단부의 유효 NA가 확대율에 거의 비례하여 변경될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 2:1 비율의 테이퍼는 직경이 10 mm인 축소된 단부와, 직경이 20 mm인 확대된 단부를 가질 수 있다. 원래 재료의 NA가 10 마이크론의 피치에서 0.5인 경우, 축소된 단부는 대략 1.0의 유효 NA 및 5 마이크론의 피치를 가질 것이다. 결과적인 수광각 및 출사 각도도 비례하여 변경될 수 있다. 이 공정의 정확한 결과를 이해하기 위해 수행할 수 있는 훨씬 더 복잡한 분석이 있는데, 당업자는 이러한 계산을 수행할 수 있을 것이다. 이 논의의 목적을 위해, 이러한 일반화는 전체 시스템 및 방법뿐만 아니라 이미지 처리 관련 사항을 이해하기에 충분하다.
가요성 에너지원 및 만곡형 에너지 릴레이 표면의 사용
특정 에너지원 기술 또는 에너지 프로젝션 기술을 만곡형 표면으로 제조하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 에너지원을 위해 만곡형 OLED 디스플레이 패널이 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 에너지원을 위해 무초점 레이저 프로젝션 시스템이 이용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 투영된 표면에 걸쳐 초점을 유지하기에 충분히 넓은 피사계 심도를 갖는 투영 시스템이 사용될 수 있다. 의심의 여지를 피하기 위해, 이러한 예들은 예시적인 목적으로 제공되는 것이지, 이 기술 설명에 대한 기술 구현의 범위를 결코 제한하지 않는다.
광학 기술이 만곡형 에너지 표면을 활용하거나, 또는 알려진 광 입사각과 각각의 수정된 출사각으로 완전히 초점을 맞춘 투영 이미지를 유지할 수 있는 만곡형 표면을 활용함으로써, 광학 구성의 주광선 각도(CRA: Chief Ray Angle)에 기초하여 광의 조향된 원추를 생성할 수 있는 능력을 감안할 때, 광의 보다 이상적인 시야각을 제공할 수 있다.
그러한 일 실시예에서, 광학 릴레이 요소의 에너지 표면 측은 모듈 단위로 원통형, 구형, 평면, 또는 비평면 연마된 형태(본원에서는 "기하학적 형태" 또는 "기하학적"이라고 함)로 만곡될 수 있으며, 이 경우 에너지원은 하나 이상의 소스 모듈에서 비롯된다. 각 유효 발광 에너지원은 변형 공정을 통해 변경되는 그 자체 각각의 시야각을 갖는다. 이 만곡형 에너지원 또는 유사한 패널 기술을 활용하게 되면 변형 및 CRA 재구성 또는 각 유효 픽셀의 최적 시야각에 덜 민감할 수 있는 패널 기술이 가능해진다.
도 30은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 3:1 배율 계수를 가지며 부착된 에너지원의 광의 결과적인 시야각을 갖는 광학 테이퍼 릴레이 구성(7800)을 예시한다. 광학 릴레이 테이퍼는 3:1 배율 계수에서 입력 NA가 1.0이고, 이는, 테이퍼형 에너지 릴레이의 양단에 평면 및 수직 표면이 있고 축소된 단부에 에너지원이 부착된 상태에서, 출력 광선에 대한 유효 NA가 대략 0.33이 되는 결과를 가져온다(여기에는 다른 많은 요인들이 포함되어 있으며, 이는 단순화된 참조일 뿐이다). 이 접근법만 활용하면 에너지 표면의 시야각은 입사각의 대략 1/3이 될 수 있다. 의심의 여지를 없애기 위해, 유효 배율이 1:1인 유사한 구성(광학 면판 등을 활용) 또는 임의의 기타 광학 릴레이 유형 또는 구성을 추가로 활용할 수 있다.
도 31은, 도 30의 것과 동일하기는 하지만 이제는 만곡형 기하학적 형태(7902)를 갖는 에너지원 측의 표면이 있으며, 아울러 모듈(7900)의 광축에 수직인 평면형 표면을 갖는, 에너지원 측(7903)에 대향하는 표면이 있는, 테이퍼형 에너지 릴레이 모듈(7900)을 예시하고 있다. 이 접근법에 의하면, 비록 표면(7903) 상의 각각의 유효 광 방출원의 가시 출구 원추가 표면(7902) 상의 에너지원 입력의 가시 출구 원추보다 작을 수 있지만, 도 30과는 다르게, 도 31에 예시된 바와 같이 만곡형 표면(7902)이 주어지면, 입사각(예를 들어, 도면 부호 7902 근처의 화살표 참조)은 이 기하학적 형태에 기반하여 편향될 수 있고, 출사각(예를 들어, 도면 부호 7903 근처의 화살표 참조)은 상기 표면의 위치와 더 독립적으로 조정될 수 있다. 이것은 이용 가능한 광선의 더 넓거나 더 압축된 밀도를 위해 시야각을 최적화하는 특정 에너지 표면을 고려할 때 유리할 수 있다.
다른 실시예에서, 출력 각도의 변화는 입력 에너지 표면(7902)을 볼록한 형상으로 형성함으로써 달성될 수 있다. 이러한 변경이 이루어지면, 에너지 표면(7903)의 에지 근처에 있는 광의 출력 원추들은 중심을 향해 방향을 돌릴 것이다.
일부 실시예에서, 릴레이 요소 장치는 만곡형 에너지 표면을 포함할 수 있다. 한 예에서, 릴레이 요소 장치의 두 표면이 모두 평면일 수 있다. 대안적으로, 다른 예에서, 한 표면은 평면일 수 있고 다른 표면은 비평면일 수 있거나, 또는 이와 반대일 수도 있다. 끝으로, 또 다른 예에서, 릴레이 요소 장치의 두 표면이 모두 비평면일 수 있다. 다른 실시예에서, 비평면 표면은 다른 비평면 형태들 중에서도 오목 표면 또는 볼록 표면일 수 있다. 예를 들어, 릴레이 요소의 두 표면이 오목할 수 있다. 대안적으로, 두 표면이 볼록할 수 있다. 다른 예에서, 한 표면은 오목하고 다른 표면은 볼록할 수 있다. 당업자는 다수의 평면, 비평면, 볼록, 및 오목 표면의 구조가 본원에서 고려 및 개시된다는 것을 이해할 것이다.
도 32는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 것으로, 에너지원 측에 수직은 아니지만 평면인 표면(8002)이 있는 광학 릴레이 테이퍼(8000)를 예시한다. 에너지원 측 기하학적 형태의 중요한 개별 맞춤 가능한 변형을 분명히 하기 위해, 게다가 표면 특성의 임의의 변화로 가능한 광 1, 광 2, 광 3의 입사 수용 원추 각도 및 출력 가시 방출 원추 각도를 직접 제어하는 능력을 설명하기 위해, 도 32는 도 31과 비교할 수 있도록 에너지원 측에 수직이 아닌 평면 기하학적 형태를 단순히 생성한 결과를 예시하고 있다.
애플리케이션에 따라, 릴레이 내에서 광이 전파되는 방향을 한정하는 광축에 수직인 상태로 릴레이의 에너지원 측을 유지하며 릴레이의 출력 표면이 광축에 수직이 아닌 에너지 릴레이 구성을 설계하는 것도 가능하다. 그 밖의 다른 구성들은 입력 에너지원 측과 에너지 출력 측 모두가 다양한 비수직 기하학적 형태를 나타내게 할 수 있다. 이 방법론을 사용하면, 입력 에너지원 및 출력 에너지원에서 보는 광의 각도에 대한 제어를 더욱 높일 수 있다.
일부 실시예에서, 테이퍼 또한 특정 시야각을 최적화하기 위해 릴레이의 광축에 대해 수직이 아닐 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 도 30에 도시된 것과 같은 단일 테이퍼가 광축과 평행한 절단에 의해 사분면으로 절단될 수 있고, 이 때 테이퍼의 큰 단부와 작은 단부가 동일하게 4개의 부분으로 절단된다. 이 4개의 사분면은 각 테이퍼 사분면이 개별 광학 중심 축을 중심으로 180도 선회한 상태에서 재조립되어, 테이퍼의 축소된 단부가 재조립된 사분면의 중심에서 떨어져 대면하게 하여서 시야를 최적화한다. 다른 실시예에서, 비수직 테이퍼는 또한, 물리적으로 확대된 단부의 크기 또는 규모를 증가시킴이 없이, 축소된 단부 상의 에너지원들 사이에 증가된 간극을 제공하기 위해서도 직접 제조될 수 있다. 이들 및 다른 테이퍼형 형태들이 본원에 개시된다.
도 33은 에너지원 측에 오목한 표면이 있는 도 30의 광학 릴레이 및 광 조명 원추들을 예시한다. 이 경우, 출사광의 원추들은 도 30과 비교할 때 에너지원 측이 편평한 경우보다 출력 에너지 표면 평면의 에지 근처에서 상당히 더 많이 발산된다.
도 34는 에너지원 측에 동일하게 오목한 표면이 있는 도 33의 광학 테이퍼 릴레이(8200) 및 광 조명 원추들을 예시한다. 이 예에서, 출력 에너지 표면은 볼록한 기하학적 형태를 갖는다. 도 33과 비교하면, 오목한 출력 표면(8202) 상의 출력 광의 원추들은 에너지원 표면을 가로질러 더 시준된다. 의심의 여지를 없애기 위해, 제공된 예들은 단지 예시일 뿐이며 명시적인 표면 특성을 나타내려는 것이 아니다. 왜냐하면, 입력 에너지원 측과 출력 에너지 표면에 있어서의 임의의 기하학적 형태는, 출력 에너지 표면에 있어서의 원하는 시야각 및 광 밀도와, 에너지원 자체에서 생성되는 광의 각도에 의존하여, 사용될 수 있기 때문이다.
일부 실시예에서, 다수의 릴레이 요소가 직렬로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 직렬로 된 임의의 2개의 릴레이 요소는 파라미터들이 의도적으로 왜곡된 상태에서 함께 추가로 결합되어, 다른 요소에 대한 한 요소의 역왜곡이 임의의 이러한 아티팩트를 광학적으로 완화하는 데 도움이 되도록 한다. 다른 실시예에서, 제1 광학 테이퍼는 광학 배럴 왜곡을 나타내고, 제2 광학 테이퍼는 이 아티팩트의 역을 나타내도록 제조되어 광학 핀 쿠션 왜곡을 생성해서, 함께 집성될 때에 결과적인 정보가 두 요소 중 임의의 하나에 의해 도입되는 임의의 이러한 광학 왜곡을 부분적으로 또는 완전히 상쇄하도록 한다. 이것은 복합 보정이 직렬로 적용될 수 있도록 임의의 2개 이상의 요소에 추가로 적용될 수 있다.
일부 실시예에서, 단일 에너지원 보드, 전자 장치 등을 제조하여 한 어레이의 에너지원들 등을 소형 및/또는 경량 폼 팩터로 생성하는 것이 가능할 수 있다. 이러한 배열에 의하면, 광학 릴레이들의 단부들이 개별 컴포넌트들 및 전자 장치들과 비교하여 극히 작은 폼 팩터로 에너지원 활성 영역에 정렬되도록 광학 릴레이 모자이크를 추가로 통합하는 것이 실행 가능할 수 있다. 이 기술을 사용하면, 모니터, 스마트폰 등과 같은 소형 폼 팩터 장치를 수용할 수 있다.
도 35는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 각 테이퍼의 복수의 수직 출력 에너지 표면들로부터 최적의 가시 이미지(8302)가 형성되도록 하기 위해 만곡형 에너지원 측면(8314, 8316, 8318, 8320, 8322)과 함께 각각 결합된 복수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈(8304, 8306, 8308, 8310, 8312)의 조립체(8300)를 예시하고 있다. 이 경우, 테이퍼 릴레이 모듈들(8304, 8306, 8308, 8310, 8312)이 병렬로 형성된다. 테이퍼 릴레이 모듈들의 단지 하나의 열만 도시되어 있지만, 일부 실시예에서는, 적층된 형태를 갖는 테이퍼들이 또한 평행하게 하나의 열로 서로 결합되어 연속적이고 끊김 없는 가시 이미지(8302)가 형성되도록 할 수 있다.
도 35에서, 각각의 테이퍼 릴레이 모듈은 독립적으로 작동하거나, 한 어레이의 광학 릴레이들을 기반으로 설계될 수 있다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 광학 테이퍼 릴레이들(8304, 8306, 8308, 8310, 8312)을 갖는 5개의 모듈이 함께 정렬되어, 더 큰 광학 테이퍼형 출력 에너지 표면(8302)을 생성한다. 이 구성에서, 출력 에너지 표면(8302)은 각 릴레이의 광축에 수직일 수 있고, 5개의 에너지원 측면(8314, 8316, 8318, 8320, 8322) 각각은 출력 에너지 표면(8302)의 앞 또는 이 표면의 뒤에 있을 수 있는 중심축을 중심으로 원형 윤곽으로 변형될 수 있고, 이는 전체 어레이가 개별 모듈이 아닌 단일 출력 에너지 표면으로 기능할 수 있게 한다. 광의 출사 시야각을 계산하고 에너지원 측 기하학적 형태에 필요한 이상적인 표면 특성을 결정함으로써 이 조립 구조체(8300)를 추가로 최적화하는 것이 추가로 가능할 수 있다. 도 35는 이와 같은 일 실시예, 즉 다수의 모듈들이 함께 결합되고 에너지원 측 곡률이 광의 더 큰 출력 에너지 표면 시야각의 원인이 되는 실시예를 예시한다. 5개의 릴레이 모듈(8304, 8306, 8308, 8310, 8312)이 도시되어 있지만, 애플리케이션에 따라 더 많거나 더 적은 릴레이 모듈이 함께 결합될 수 있으며, 이 모듈들은 2차원으로 함께 결합되어 임의적으로 큰 출력 에너지 표면(8302)을 형성할 수 있음을 당업자는 이해하게 될 것이다.
일 실시예에서, 도 35의 시스템은 제1 및 제2 방향을 가로질러(예를 들어, 열을 가로질러, 또는 적층된 형태로) 배열된 복수의 릴레이 요소(8304, 8306, 8308, 8310, 8312)를 포함하고, 여기서 복수의 릴레이 요소 각각은 그 각각의 릴레이 요소의 제1 표면과 제2 표면 사이에서 종 배향을 따라 연장된다. 일부 실시예에서, 복수의 릴레이 요소 각각의 제1 및 제2 표면은 제1 및 제2 방향에 의해 한정된 횡 배향을 대체로 따라서 연장되고, 여기서 종 배향은 횡 배향에 실질적으로 수직이다. 다른 실시예에서, 종 배향의 최소 굴절률 변화와 결합된 횡 배향의 무작위 굴절률 변동성은, 종 배향을 따라 실질적으로 더 높은 전송 효율을 가지며 횡 배향을 따라 공간적 편재를 갖는 에너지파가 결과적으로 생기게 한다.
일 실시예에서, 복수의 릴레이 요소는 제1 방향 또는 제2 방향을 따라서 단일 타일형 표면이 각각 형성되도록 하기 위해 제1 방향 또는 제2 방향을 가로질러 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 릴레이 요소가 적어도 2x2 형태를 갖는 매트릭스, 또는 3x3 형태, 4x4 형태, 3x10 형태, 및 당업자가 이해할 수 있는 다른 형태를 제한 없이 포함하는 기타 매트릭스로 배열된다. 다른 실시예에서, 단일 타일형 표면 사이의 이음매는 단일 타일형 표면의 최소 치수의 2배의 시야 거리에서 감지 불가능할 수 있다.
일부 실시예에서, 복수의 릴레이 요소(예를 들어, 8304, 8306, 8308, 8310, 8312) 각각은 종 배향의 최소 굴절률 변화와 결합된 횡 배향의 무작위 굴절률 변동성을 가지며, 이는 종 배향을 따라 실질적으로 더 높은 전송 효율을 가지며 횡 배향을 따라 공간적 편재를 갖는 에너지파가 결과적으로 생기게 한다. 릴레이가 멀티코어 섬유로 구성되는 일부 실시예에서, 각각의 릴레이 요소 내에서 전파하는 에너지파는 이러한 배향의 섬유 정렬에 의해 결정되는 종 배향에서 이동할 수 있다.
다른 실시예에서, 복수의 릴레이 요소(예를 들어, 8304, 8306, 8308, 8310, 8312) 각각은 종 배향을 따라 에너지를 전송하도록 구성되고, 복수의 릴레이 요소를 통해 전파되는 에너지파는, 에너지가 횡 배향으로 편재화되도록, 무작위 굴절률 변동성으로 인해 횡 배향보다는 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 갖는다. 일부 실시예에서, 릴레이 요소들 사이에서 전파되는 에너지파는 횡 배향보다는 종 배향에서의 실질적으로 더 높은 전송 효율로 인해 종 배향에 실질적으로 평행하게 이동할 수 있다. 다른 실시예에서, 종 배향의 최소 굴절률 변화와 결합된 횡 배향의 무작위 굴절률 변동성은, 종 배향을 따라 실질적으로 더 높은 전송 효율을 가지며 횡 배향을 따라 공간적 편재를 갖는 에너지파가 결과적으로 생기게 한다.
도 36은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 수직 에너지원 측 기하학적 형태(8404, 8406, 8408, 8410, 8412) 및 중심축을 중심으로 방사상인 볼록한 에너지원 측 표면(8402)과 함께 결합된 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈의 배열체(8400)를 예시한다. 도 36은 도 35에 도시된 구성의 변형으로서, 수직 에너지원 측 기하학적 형태와 중심축을 중심으로 방사상인 볼록한 출력 에너지 표면을 갖는 것을 예시한다.
도 37은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 수직 출력 에너지 표면(8502) 및 중심축을 중심으로 방사상인 볼록한 에너지원 측 표면(8504)과 함께 결합된 다수의 광학 릴레이 모듈의 배열체(8500)를 예시한다.
일부 실시예에서, 에너지 릴레이들의 어레이의 소스 측을 중심 반경을 중심으로 원통형으로 만곡된 형상으로 구성하고 편평한 에너지 출력 표면을 구비함으로써, 입력 에너지원 수용각과 출력 에너지원 방출각이 분리될 수 있고, 각 에너지원 모듈을 에너지 릴레이 수용 원추에 더 잘 정렬시킬 수 있는데, 이는 그 자체가 에너지 테이퍼 릴레이 배율, NA, 및 기타 요인과 같은 파라미터들에 대한 제약으로 인해 제한될 수 있다.
도 38은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 가시 출력 광선이 방사되도록 독립적으로 구성된 각각의 에너지 출력 표면을 갖는 다수의 에너지 릴레이 모듈의 배열체(8600)를 예시한다. 도 38은, 도 37과 유사한 구성이지만, 가시 출력 광선이, 결합된 출력 에너지 표면으로부터, 광축에 대해 보다 균일한 각도(또는 사용된 정확한 기하학적 형태 여하에 따라서는 더 적은 각도)로 방출되도록 각각의 에너지 릴레이 출력 표면이 독립적으로 구성된 구성을 예시한다.
도 39는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 방출 에너지원 측과 에너지 릴레이 출력 표면 모두가 입력 광선 및 출력 광선에 대한 분명한 제어를 일으키는 다양한 기하학적 형태로 구성된 다수의 광학 릴레이 모듈의 배열체(8700)를 예시한다. 이를 위해, 도 39는 방출 에너지원 측과 릴레이 출력 표면 모두가 입력 광선 및 출력 광선에 대한 더 많은 제어를 허용하는 만곡형 기하학적 형태로 구성되는 5개의 모듈을 갖는 구성을 예시하고 있다.
도 40은 개별 출력 에너지 표면들이 연마됨으로써 관찰자를 둘러싸는 심리스 오목 원통형 에너지원 표면이 형성되며 릴레이의 에너지원 단부들이 편평하고 그 각각이 에너지원에 접합되는 다수의 광학 릴레이 모듈의 배열체(8800)를 예시한다.
도 40에 도시된 실시예에서, 도 35, 도 36, 도 37, 도 38, 및 도 39에 도시된 실시예와 유사하게, 시스템은 제1 및 제2 방향을 가로질러 배열된 복수의 에너지 릴레이를 포함할 수 있으며, 이 경우에서, 각각의 릴레이에서는, 종 배향을 한정하는 제1 표면과 제2 표면 사이에서 에너지가 전송되고, 릴레이들 각각의 제1 및 제2 표면은 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 의해 한정되는 횡 배향을 대체로 따라서 연장되고, 여기서 종 배향은 횡 배향에 대해 실질적으로 수직이다. 또한, 이 실시예에서는, 복수의 릴레이들을 통해 전파되는 에너지파는 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 결합된 횡 배향에서의 높은 굴절률 변동성으로 인해 횡 배향보다 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 갖는다. 각각의 릴레이가 멀티코어 섬유로 구성되는 일부 실시예에서, 각각의 릴레이 요소 내에서 전파하는 에너지파는 이러한 배향의 섬유 정렬에 의해 결정되는 종 배향에서 이동할 수 있다.
일 실시예에서, 위에서 논의된 것과 유사하게, 복수의 릴레이 요소들 각각의 제1 및 제2 표면은, 일반적으로, 횡 배향을 따라 만곡될 수 있고, 복수의 릴레이 요소는 제1 및 제2 방향을 가로질러 일체로 형성될 수 있다. 복수의 릴레이는 제1 및 제2 방향을 가로질러 조립될 수 있고, 적어도 2x2 형태를 갖는 매트릭스로 배열될 수 있으며, 유리, 광섬유, 광학 필름, 플라스틱, 중합체, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 일 실시예에서, 복수의 릴레이로 이루어진 시스템이 제1 방향 또는 제2 방향을 가로질러 배열되어, 제1 방향 또는 제2 방향을 따라서 단일 타일형 표면이 각각 형성되도록 할 수 있다. 위와 유사하게, 복수의 릴레이 요소가 3x3 형태, 4x4 형태, 3x10 형태, 및 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이 다른 형태를 제한 없이 포함하는 기타 매트릭스로 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 타일형 표면 사이의 이음매는 단일 타일형 표면의 최소 치수의 2배의 시야 거리에서 감지 불가능할 수 있다.
에너지 릴레이들의 모자이크의 경우, 다음의 실시예들, 즉 제1 표면과 제2 표면 모두가 평면일 수 있거나, 제1 표면 및 제2 표면 중 하나는 평면이고 다른 하나는 비평면형일 수 있거나, 또는 제1 표면과 제2 표면 모두가 비평면인 실시예가 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 표면과 제2 표면 모두가 오목할 수 있거나, 제1 표면 및 제2 표면 중 하나는 오목하고 다른 하나는 볼록할 수 있거나, 제1 표면과 제2 표면 모두가 볼록할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 표면 및 제2 표면 중 적어도 하나가 평면형, 비평면형, 오목형, 또는 볼록형일 수 있다. 평면인 표면은 에너지 전송의 종 방향에 대해 수직일 수 있거나, 또는 이 광축에 대해 수직이 아닐 수 있다.
일부 실시예에서, 복수의 릴레이는, 다른 유형의 에너지파 중에서도 특히 전자기파, 광파, 음향 파를 이에 제한되지 않고 포함하는 에너지원의 공간 확대 또는 공간 축소를 일으킬 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 릴레이는 또한 복수의 에너지 릴레이(예를 들어, 에너지원을 위한 면판 등)를 포함할 수 있으며, 이 때 상기 복수의 에너지 릴레이는 치수들 중에서도 특히 상이한 폭, 길이를 갖는다. 일부 실시예에서, 복수의 에너지 릴레이는 또한 느슨한 간섭성 광학 릴레이 또는 섬유를 포함할 수 있다.
도 41은, 본 개시내용의 일 실시예에 따라, 연마된 비평면형 표면(414) 및 제어된 배율을 갖는 단일 테이퍼형 에너지 릴레이의 확대형 단부로부터 방출된 주 에너지 광선 각도들(412)의 직교도(410)를 예시한다. 도 42는 도 42에 나타낸 테이퍼들의 전체 어레이(420)가 어떻게 테이퍼형 에너지 릴레이 표면 및 배율의 상세한 설계를 통해 공간에 제공되는 에너지 분포를 제어할 수 있는지에 대한 직교도를 예시한다.
원하는 출구의 각도 및 재료의 설계에 기초하여 둥근 형태로 일 모자이크의 테이퍼형 에너지 릴레이들 중 하나의 테이퍼로 이루어진 에너지 표면을 연마하는 것이 가능하다. 이렇게 하면, 별도의 에너지 도파관 요소들을 사용하지 않으면서 재료의 표면 특성뿐만 아니라 배율에 기초하여, 투영된 에너지의 방향을 직접 제어하는 것이 가능하다. 폴리머 매체에서 생성된 테이퍼들의 제조 공정은, 도파관 어레이의 모든 기능, 또는 단순히 별도의 에너지 도파관 어레이의 성능을 향상시키는 기능들만을 수행하는 적절한 에너지 도파관 어레이 표면을 생성하기 위한 몰딩 공정을 포함할 수 있다.
테이퍼들이 동일한 크기이거나 에너지 도파관 어레이의 단일 요소들보다 일부 양만큼 더 크거나 더 작은 테이퍼형 에너지 릴레이들의 전체 어레이를 생성하는 것도 또한 가능하다. 하지만, 이것은 각 테이퍼가 N개의 영역 또는 N개의 영역 중 일부 집합을 효과적으로 나타낼 것을 요구하며, 훨씬 더 개별적인 에너지 소스 컴포넌트를 발생시키며, 수반될 고정체(fixture)들의 수를 고려할 때 정렬은 극도로 까다로워진다.
본 개시내용의 다양한 실시예에서 고려되는 다양한 릴레이 표면들, 예컨대 도 30 내지 도 42에 도시된 바와 같은 비평면 표면들 또는 평면 표면들은, 에너지 릴레이에서 릴레이 표면들에 대해 사전 결정된 배향을 갖는 에너지 전파 경로들로 에너지 릴레이를 형성함으로써 형성될 수 있어 에너지 전파 경로들의 사전 결정된 배향 및 릴레이 표면들의 프로파일이 에너지가 에너지 릴레이를 통해 중계되도록 처리되어 기준 방향에 대해 원하는 각도 범위 및/또는 원하는 각도 정렬 프로파일을 갖는 에너지의 원추들에서 출사된다. 일 실시예에서, 기준 방향은 에너지 릴레이의 광축에 의해 한정될 수 있다. 일 실시예에서, 기준 방향은 축상 방향에 의해 한정될 수 있다. 본원에 개시된 접근법은 비제한적으로 오목형, 볼록형, 경사형, 원추형, 구형, 원통형, 타원형, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 다양한 규칙적 또는 불규칙적 형상 및 치수를 갖는 임의의 평면 및 비평면 릴레이 표면들을 형성하는 데 사용될 수 있다. 에너지의 출구 원추들의 원하는 각도 범위 및/또는 각도 정렬 프로파일은 일부 실시예에서 에너지 릴레이가 도 30 내지 도 40c에 대하여 위에서 논의된 바와 같이 맞춤형 렌즈 효과로 에너지를 중계하게 할 수 있다.
일 실시예에서, 에너지 릴레이 요소(4000A)는 에너지 릴레이 요소(4000A)가 도 65a에 도시된 바와 같이 사전 결정된 배향을 갖는 복수의 에너지 전파 경로(4002)를 갖도록 본 개시내용에 개시된 공정들 중 임의의 공정에 따라 형성될 수 있다. 본 개시내용의 다수의 실시예에 예시된 바와 같이, 에너지 릴레이 요소(4000A)는 상이한 에너지파 전파 특성을 갖는 제1 및 제2 재료를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 재료는 제1 및 제2 릴레이 표면을 갖는 구조체를 획정하도록 형성된다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 재료 각각은 구조체의 제1 및 제2 릴레이 표면 사이에서 연장되고 구조체의 횡 방향(transverse direction)을 가로질러 산재되어 있어, 제1 및 제2 재료는 그 사이의 복수의 에너지 전파 경로(4002)를 따라 제1 릴레이 표면과 제2 릴레이 표면 사이에서 에너지를 중계하도록 작동 가능하다. 본 개시내용 전반에 걸쳐 제공되는 다양한 예로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 제1 및 제2 재료는 비무작위 패턴 또는 무작위 패턴에 따라 구조체의 횡 방향을 가로질러 산재될 수 있다. 추가적으로, 본 개시내용 전반에 걸쳐 제공된 다양한 예로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 제1 및 제2 재료는 구조체의 횡 방향을 가로질러 산재되어 복수의 코어-클래드 섬유, 멀티코어 섬유 및 구배 지수(gradient index) 섬유를 형성할 수 있다.
에너지 릴레이 요소(4000A)의 2개 지점 사이의 에너지 전파는 에너지가 전파되는 에너지 릴레이 요소(4000A)의 재료들 및 구조에 따라 반사, 회절, 산란 및 굴절 중 임의의 하나 또는 조합을 포함할 수 있다. 에너지 전파 메커니즘의 일부 예는 내부 전반사, 입자 회절, 브래그 회절, 쉐퍼-버그만 회절, 중성자 회절, 분말 회절, 약한 편재화, 강한 편재화, 모트 편재화, 비무작위 편재화(본원에 기술된 바와 같음), 콤프톤 산란, 레일리 산란, 미(Mie) 산란, 기하학 산란, 및 복굴절을 포함한다. 일 실시예에서, 에너지 전파 메커니즘은 에너지가 2개 지점 사이에서 다수의 경로를 통해 전파되도록 할 수 있으며, 이 경우, 본원에서 사용되는 문구 "에너지 전파 경로"는 임의의 공지된 정적 모델을 사용하여 다중 에너지 전파 경로를 처리하도록 정적으로 결정된 경로를 지칭하거나 당업계에 공지된 것으로 당업자에 의해 이해될 수 있으며, 비제한적으로 평균화, 가중 평균화, 평균값, 중앙값, 모드, 중간 범위, 통계적 앙상블, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
다시 도 65a로 돌아가서, 실시예에서 에너지 릴레이 요소(4000A)의 하단 영역(4010) 근처의 에너지 전파 경로들(4002)은 실질적으로 제1 표면(4004)의 법선과 정렬될 수 있으며, 도 65a에 도시된 바와 같이 실질적으로 기준 방향(4016)과 정렬된 수용 원추들의 이러한 입사 에너지는 제1 표면(4004)에 수용될 수 있다. 에너지 릴레이 요소(4000)의 상단 영역(4008) 근처의 전파 경로들(4002)은 실질적으로 제2 표면(4006)의 법선과 정렬될 수 있다. 상단 및 하단 영역(4008, 4006) 사이에서, 전파 경로들(4002)의 사전 결정된 배향은 도 65a에 도시된 프로파일을 가질 수 있으며, 다른 실시예에서, 이는 오목 곡률, 볼록 곡률, 단순 곡률, 점진적 곡률, 복합 곡률, 규칙적 또는 불규칙적 곡률, 또는 임의의 다른 형상 및 형상들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 에너지 릴레이 요소(4000A)는 도 65a에 개략적으로 설명된 프로파일(4012)을 따라 절단될 수 있으며, 이는 에너지 릴레이(4000B)의 표면(4014)을 형성하기 위해 대부분의 또는 모든 상단 영역(4008)을 제거할 것이다. 또 다른 실시예에서, 표면(4014)의 프로파일(4012)은 본원에서 개시된 또는 당해 기술에 공지된 다른 다양한 형상 형성 기법, 예컨대 몰딩, 프레싱, 벤딩, 인발, 압출, 에칭, 가열, 냉각, 프린팅, 성장, 추가 처리, 차감 처리, 증착 처리, 리소그래피 처리, 전기 처리, 자기 처리, 또는 본 개시내용에서 고려되는 이들의 임의의 조합에 의해 형성될 수 있다. 형성된 에너지 릴레이(4000B)의 에너지 전파 경로들(4002)의 사전 결정된 배향 및 릴레이 표면(4014)의 프로파일은 에너지가 릴레이 표면(4014)을 통해 중계되도록 처리되어 에너지 릴레이(4000B)의 축상 방향(4016)에 대해 원하는 각도 범위 및/또는 원하는 각도 정렬 프로파일을 갖는 에너지의 원추들에서 출사될 수 있다.
도 65b에 예시된 실시예에서, 표면(4014)의 프로파일은 표면(4014)의 표면 법선(4030)과 각각의 입사점에서의 입사 전파 경로(4002)가 각을 이루어 전파 경로들(4002)을 통해 중계되는 에너지가 도 65b에 도시된 바와 같이 기준 방향(4016)으로부터 벗어나 기울어진 출구 원추들의 표면(4014)에서 출사할 수 있는 곡률을 포함한다. 도 65e에 대하여 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 표면(4014)에서의 입사 전파 경로(4002)의 배향과 각각의 입사점에서 표면(4014)의 표면 법선(4030)이 표면(4014)에서 에너지 출구 원추들의 각도 정렬 프로파일을 결정할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 축상 방향(4016)으로부터 벗어나 기울어지는 표면(4014)의 출구 원추들의 효과는 표면(4004)에 입사되는 축상 에너지가 이제 축외 방향들을 향해 중계될 수 있다는 것이다. 광학 애플리케이션들의 경우, 축상 이미지 품질을 희생시키면서 콘트라스트와 같은 축외 이미지 품질을 향상시킬 수 있게 한다.
일 실시예에서, 도 65a의 에너지 릴레이 요소(4000A)는 도 65a에 개략적으로 설명된 프로파일(4018)을 따라 절단될 수 있으며, 이는 에너지 릴레이(4000C)의 표면(4014)을 형성할 것이다. 도 65c의 실시예에서, 에너지 릴레이(4000C)의 표면(4014)은 평면 프로파일을 가지며, 이는 도 65b의 에너지 릴레이(4000B)의 표면(4014)의 만곡형 프로파일과 상이하다. 일 실시예에서, 표면(4014)의 프로파일(4018)은 절단 없이 다양한 형상 형성 기법, 예컨대 본 개시내용에서 고려되는 바와 같이 몰딩, 프레싱, 벤딩, 인발, 압출, 가열, 냉각, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 형성될 수 있다. 형성된 에너지 릴레이(4000C)의 에너지 전파 경로들(4002)의 사전 결정된 배향 및 릴레이 표면(4014)의 프로파일은 에너지가 릴레이 표면(4014)을 통해 중계되도록 처리되어 에너지 릴레이(4000C)의 기준 방향(4016)에 대해 원하는 각도 범위 및/또는 원하는 각도 정렬 프로파일을 갖는 에너지의 원추들에서 출사될 수 있다. 예를 들어 도 65c에 예시된 바와 같이, 도 65b에 도시된 실시예와 유사하게, 각각의 입사점에서 표면(4014)의 표면 법선(4030)과 입사 전파 경로(4002)가 각을 이루어, 전파 경로들(4002)을 통해 중계되는 에너지가 기준 방향(4016)으로부터 벗어나 기울어진 출구 원추들의 표면(4014)에서 출사할 수 있도록 한다.
일 실시예에서, 도 65a의 에너지 릴레이 요소(4000A)는 도 65a에 개략적으로 설명된 프로파일들(4012 및 4020) 양쪽을 따라 절단될 수 있으며, 이는 에너지 릴레이(4000D)의 표면들(4014, 4020)을 형성할 것이다. 도 65d의 실시예에서, 에너지 릴레이(4000D)의 표면(4014)은 도 65b의 에너지 릴레이(4000B)의 표면(4014)의 만곡형 프로파일과 동일한 만곡형 프로파일을 갖는다. 일 실시예에서, 표면(4014)의 프로파일(4018)은 절단 없이 다양한 형상 형성 기법, 예컨대 본 개시내용에서 고려되는 바와 같이 몰딩, 프레싱, 벤딩, 인발, 압출, 가열, 냉각, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 형성될 수 있다. 형성된 에너지 릴레이(4000D)의 에너지 전파 경로들(4002)의 사전 결정된 배향 및 릴레이 표면(4014)의 프로파일은 에너지가 릴레이 표면(4014)을 통해 중계되도록 처리되어 에너지 릴레이(4000D)의 기준 방향(4016)에 대해 원하는 각도 범위 및/또는 원하는 각도 정렬 프로파일을 갖는 에너지의 원추들에서 출사될 수 있다. 예를 들어 도 65d에 예시된 바와 같이, 도 65b에 도시된 실시예와 마찬가지로 표면(4014)의 표면 법선(4030)과 입사 전파 경로(4002)는 각각의 입사점에서 각을 이루어 전파 경로들(4002)을 통해 중계되는 에너지가 기준 방향(4016)으로부터 벗어나 기울어진 출구 원추들의 표면(4014)에서 출사할 수 있다.
도 65d의 실시예에서, 에너지 릴레이(4000D)의 표면(4020)은 에너지 릴레이(4000D)의 표면(4014)의 만곡형 프로파일과 비교하여 상이한 방향으로 연장되는 만곡형 프로파일을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 표면들(4014 및 4020)의 만곡형 프로파일은 동일한 방향으로 연장될 수 있거나 심지어 동일할 수 있다. 일 실시예에서, 표면(4020)의 프로파일(4020)은 절단 없이 다양한 형상 형성 기법, 예컨대 본 개시내용에서 고려되는 바와 같이 몰딩, 프레싱, 벤딩, 인발, 압출, 가열, 냉각, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 형성될 수 있다. 형성된 에너지 릴레이(4000D)의 에너지 전파 경로들(4002)의 사전 결정된 배향 및 릴레이 표면(4020)의 프로파일은 에너지가 에너지 릴레이(4000D)의 기준 방향(4016)에 대해 원하는 각도 범위 및/또는 원하는 각도 정렬 프로파일을 갖는 에너지의 수용 원추들에서 릴레이 표면(4020)에 수용되도록 처리될 수 있다. 예를 들어 도 65d에 예시된 바와 같이, 도 65b에 도시된 실시예와 마찬가지로 표면(4020)의 표면 법선(4032)과 입사 전파 경로(4002)는 각각의 입사점에서 각을 이루어 전파 경로들(4002)을 통해 중계되는 에너지가 기준 방향(4016)을 향해 기울어진 수용 원추들의 표면(4020)으로 입사할 수 있다. 기준 방향(4016)을 따라 에너지 릴레이(4000D)를 향해 지향되는 에너지의 경우, 기울어진 수용 원추들의 프로파일은 표면(4020)의 중심으로부터 더 벗어난 에너지 전파 경로 위치들에서 표면(4020)으로 더 적은 에너지가 수용되게 한다. 광학 애플리케이션에서, 표면(4020)의 중심에서 벗어난 위치에서 에너지의 비수용 및 표면(4014)의 중심에서 벗어난 위치에서 에너지의 출구 원추들의 축외 각도 정렬은 표면(4014)의 중심 위치 주변에서 단지 좁은 터널의 허용 가능한 축상 이미지 품질을 가져올 수 있다.
이제 도 65e를 참조하면, 에너지 전달 경로들(4002)의 배향을 결정하기 위해 고려될 수 있는 파라미터들 및 에너지가 릴레이 표면을 통해 중계되어 기준 방향에 대해 원하는 각도 범위 및/또는 원하는 각도 정렬 프로파일을 갖는 에너지의 원추들에 입사 또는 출사될 수 있게 하는 릴레이 표면의 프로파일을 입증하도록 에너지 릴레이(4000E)의 실시예가 예시된다. 도 65e에서, 에너지 릴레이(4000E)는 도 65d에 예시된 에너지 릴레이(4000D)의 표면들의 프로파일들과 유사한 프로파일들을 갖는 릴레이 표면들(4014 및 4020)을 포함한다. 에너지 릴레이(4000E)는 릴레이 표면들(4014, 4020) 사이에 한정된 복수의 에너지 전파 경로(4002)를 더 포함한다. 각각의 지점에서 에너지 전파 경로(4002)는 릴레이 표면(4014)에 입사하고, 표면 법선(4030) 및 입사점에서의 전파 경로 축(4034)은 입사각(α1)을 형성한다.
전파 경로 축(4034)은 전파 경로(4002)가 릴레이 표면(4014)을 넘어 계속되는 경우 에너지가 계속해서 전파되는 가상의 축인 것으로 이해될 수 있다. 기하학적 관점에서, 전파 경로 축(4034)은 릴레이 표면(4014)에서의 입사점에서 전파 경로(4002)의 접선과 정렬되는 것으로 이해될 수 있다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 접선은 곡선에서 무한히 가까운 한 쌍의 지점을 통과하는 선이다. 당업자가 추가로 이해할 수 있는 바와 같이, 에너지 릴레이 요소(4000A)의 구조는 적어도 하나의 가요성 부분을 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 릴레이 표면 중 적어도 하나가 가요성인 실시예에서, 제1 및 제2 릴레이 표면 중 적어도 하나의 표면 법선은 가변적일 수 있고, 제1 및 제2 릴레이 표면 중 적어도 하나에서의 전파 경로 축 또한 가변적일 수 있음이 고려된다.
표면(4014)의 각각의 입사점에서, 에너지 릴레이의 재료에 대한 제1 굴절률(N1) 및 에너지 릴레이 표면(4014)에 인접한 재료에 대한 제2 굴절률(N2)이 있다. 제1 및 제2 굴절률(N1 및 N2)이 다른 경우에 대해, 이는 릴레이(4000E)의 표면(4014)이 공기 또는 또 다른 광학 구성요소, 예컨대 릴레이(4000E)와 다른 재료로 만들어진 도파관에 인접하고, 에너지의 출구 원추의 주광선(4038)은 전파 경로 축(4034)에 대해 편향 각도(β1)만큼 편향되는 경우일 것이다.
각각의 지점에서 에너지 전파 경로(4002)는 릴레이 표면(4020)에 입사하고, 표면 법선(4032) 및 입사점에서의 전파 경로 축(4036)은 입사각(α2)을 형성한다. 표면(4020)의 각각의 입사점에서, 에너지 릴레이의 재료에 대한 제1 굴절률(N1) 및 에너지 릴레이 표면(4020)에 인접한 재료에 대한 제3 굴절률(N3)이 있다. 제1 및 제2 굴절률(N1 및 N2)이 다른 경우에 대해, 이는 릴레이(4000E)가 공기 또는 또 다른 광학 구성요소, 예컨대 릴레이(4000E)와 다른 재료로 만들어진 에너지 도파관(미도시)에 인접하고, 에너지의 출구 원추의 주광선(4040)은 전파 경로 축(4036)에 대해 편향 각도(β2)만큼 편향되는 경우일 것이다.
입사각들(α1, α2) 및 편향각들(β1, β2)은 기준 방향에 대하여 한정될 수 있다. 일 실시예에서, 축상 방향(4016)이 기준 방향으로 사용될 수 있고, 각각의 표면 법선(4030)은 축상 방향(4016)에 대해 각도(φ1)를 형성함으로써, 축상 방향(4016)에 대한 표면들(4014)의 프로파일을 한정한다. 각각의 표면 법선(4032)은 축상 방향(4016)에 대하여 각도(φ2)를 형성함으로써, 축상 방향(4016)에 대한 표면(4020)의 프로파일을 한정한다. 각도들(φ1 및 φ2), 입사각들(α1, α2) 및 편향각들(β1, β2)에 의해 축상 방향(4016)에 대하여 한정된 표면들의 프로파일에 기초하여, 출구 원추 주광선의 각도 정렬 프로파일들(4038, 4040)은 축상 방향(4016)에 대해서도 한정될 수 있다.
위에 논의된 파라미터들은 계산 프레임워크에서 일반화될 수 있다. 기준 방향, 예컨대 축상 방향(4016)이 주어지면, 기준 방향에 대한 릴레이 표면에서 출구 원추들의 각도 정렬 프로파일은 다음의 함수로 간주될 수 있다: 1) 릴레이 표면(Ni)에서 릴레이 재료의 굴절률; 2) 릴레이 표면(Ni+j)에 인접한 재료의 굴절률; 3) 각각의 입사점에서 표면 법선과 기준 방향 사이의 각도(φi)로 한정되는 릴레이 표면 프로파일; 및 4) 각각의 입사점에서 전파 경로 축과 표면 법선 사이의 입사각(αi). 각각의 입사점에서, 편향 각도(βi)는 Ni, Ni+j, φi 및 αi로부터 계산할 수 있으며, 기준 방향에 대한 릴레이 표면에서 출구 원추들의 각도 정렬 프로파일을 한정한다.
다시 말해서, 제1 릴레이 표면의 제1 영역을 통해 방출되거나 수용되는 에너지가 제2 표면 법선 및 제2 전파 경로 축과는 무관하게 제1 릴레이 표면의 제1 영역에서 제1 표면 법선 및 제1 전파 경로 축에 의해 각도 방향이 결정되는 제1 주광선을 가지며, 역으로, 제2 릴레이 표면의 제1 영역을 통해 방출되거나 수용되는 에너지가 제1 릴레이 표면의 제1 영역에서 제1 표면 법선 및 제1 전파 경로 축과는 무관하게 제2 표면 법선 및 제2 전파 경로 축에 의해 각도 방향이 결정되는 제2 주광선을 갖는다는 점에서 상기 계산 프레임워크를 보다 명백하게 다시 말할 수 있다.
이러한 계산 프레임워크를 사용하여, 적어도 하나의 릴레이 표면을 갖는 릴레이는 기준 방향에 대한 출구 원추들의 원하는 각도 정렬 프로파일들 및 기준 방향에 대한 표면 프로파일들의 다양한 조합을 달성하기 위해 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어 일 실시예에서, 기준 방향에 대한 출구 원추들의 특정 각도 정렬 프로파일에 대한 하나 이상의 솔루션은 Ni, Ni+j, φi, 및 αi의 하나 이상의 조합을 포함하도록 식별될 수 있다. 설계 제약조건들로 인해 솔루션들의 수가 줄어들 수 있다. 예를 들어 특정 Ni, Ni+j가 주어지면, 각각의 입사점에서 한 세트의 φi 및 a의 조합은 기준 방향에 대한 출구 원추들의 특정 각도 정렬 프로파일에 대한 하나 이상의 솔루션을 제공할 수 있다. 또 다른 예로서 특정 Ni, Ni+j, 및 φi이 주어지면, 각각의 입사점(즉, 기준 방향에 대한 특정 릴레이 표면 프로파일이 제약조건임)에서 기준 방향에 대한 출구 원추들의 특정 각도 정렬 프로파일은 하나 이상의 특정 입사각(αi)이 각각의 입사점에서 형성되어 위에 논의된 계산 프레임워크를 만족시키도록 릴레이의 에너지 전파 경로를 구성함으로써 달성될 수 있다. 또 다른 예로서, 특정 Ni, Ni+j 및 에너지 전파 경로 배향이 주어지면, 계산 프레임워크를 만족시키고 기준 방향에 대한 출구 원추들의 특정 각도 정렬 프로파일을 제공하는 각각의 입사 점에서 φi, 및 αi가 되도록 하나 이상의 특정 릴레이 표면 프로파일을 식별할 수 있다. 본원에 제공된 예들은 본 개시내용의 계산 프레임워크를 적용하는 원리를 입증하여 릴레이 표면이 기준 방향에 대해 출구 원추들의 특정한 각도 정렬 프로파일을 갖도록 릴레이를 구성하기 위한 솔루션들을 제공한다는 것이 이해될 것이다. 예들은 예시적이며 계산 프레임워크가 본 개시내용에서 고려되고 예시된 원리에 따라 적용될 수 있는 다수의 방식을 임의의 방식으로 제한하지 않는다. 본 개시내용의 원리를 더 예시하기 위해, 추가적인 실시예들이 아래에 제공 및 논의된다.
일 실시예에서, 에너지 릴레이 요소(4100A)는 에너지 릴레이 요소(4100A)가 도 66a에 도시된 바와 같이 사전 결정된 배향을 갖는 복수의 에너지 전파 경로(4102)를 갖도록 본 개시내용에 개시된 공정들 중 임의의 공정에 따라 형성될 수 있다. 에너지 릴레이 요소(4000)의 하단 영역(4110) 근처의 에너지 전파 경로들(4102)은 실질적으로 제1 표면(4104)의 법선과 정렬되며, 도 66a에 도시된 바와 같이 실질적으로 축상 방향(4116)과 정렬된 수용 원추들의 이러한 입사 에너지는 제1 표면(4104)에 수용될 수 있다. 에너지 릴레이 요소(4100A)의 상단 영역(4108) 근처의 전파 경로들(4102)은 실질적으로 제2 표면(4106)의 법선과 정렬될 수 있다. 상단 및 하단 영역(4108, 4106) 사이에서, 전파 경로들(4102)의 사전 결정된 배향은 도 66a에 도시된 프로파일을 가질 수 있으며, 이는 오목 곡률, 볼록 곡률, 단순 곡률, 점진적 곡률, 복합 곡률, 규칙적 또는 불규칙적 곡률, 또는 임의의 다른 형상 및 형상들의 조합을 포함할 수 있다.
에너지 릴레이 요소(4100A)는 도 66a에 개략적으로 설명된 프로파일(4112)을 따라 절단될 수 있으며, 이는 최종 에너지 릴레이(4100B)의 릴레이 표면(4114)을 형성하기 위해 대부분의 또는 모든 상단 영역(4108)을 제거할 것이다. 또 다른 실시예에서, 릴레이 표면(4014)의 프로파일(4112)은 절단 없이 다양한 형상 형성 기법, 예컨대 본 개시내용에서 고려되는 바와 같이 몰딩, 프레싱, 벤딩, 인발, 압출, 가열, 냉각, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 형성될 수 있다. 형성된 에너지 릴레이(4100B)의 에너지 전파 경로들(4102)의 사전 결정된 배향 및 릴레이 표면(4114)의 프로파일은 에너지가 릴레이 표면(4114)을 통해 중계되도록 도 65e에 대하여 위에 논의된 계산 프레임워크에 따라 처리되어 에너지 릴레이(4100B)의 축상 방향(4116)에 대해 원하는 각도 범위 및/또는 원하는 각도 정렬 프로파일을 갖는 에너지의 원추들에서 출사될 수 있다.
도 66b에 예시된 실시예에서, 릴레이 표면(4114)의 프로파일은 표면(4114)의 표면 법선(4130)과 각각의 입사점에서의 입사 전파 경로(4102)가 각을 이루어 전파 경로들(4102)을 통해 중계되는 에너지가 도 66b에 도시된 바와 같이 실질적으로 축상 방향(4116)과 정렬되는 출구 원추들의 표면(4114)에서 출사할 수 있는 곡률을 포함한다. 릴레이 표면(4114) 상의 개별 입사점들에서의 전파 경로들(4102) 및 표면 법선(4130)은 도 65b에 도시된 표면(4014) 상의 입사점에서 전파 경로들(4002)과 표면 법선(4030) 사이에 형성된 입사각에 비해 더 작은 입사각(αi)을 형성한다. 더 작은 입사각(αi)은 릴레이 표면(4114)에서 출사되는 더 적은 양의 에너지 굴절을 가져오므로, 릴레이 표면(4114)에서 에너지의 출구 원추들은 축상 방향(4016)으로부터 벗어나 지향되는 도 65b에 도시된 표면(4014)에서의 에너지의 출구 원추들에 비해 더 많이 축상 방향(4116)과 정렬되게 한다. 축상 방향(4116)과 실질적으로 정렬되는 릴레이 표면(4114)에서의 출구 원추들의 효과는 표면(4104)에 입사되는 축상 에너지가 이제 축상 방향을 따라 표면(4114)을 통해 중계된다는 것이다. 광학 애플리케이션들의 경우, 콘트라스트와 같은 축상 이미지 품질의 실질적인 보전(maintenance)을 가능케 한다.
다시 도 66a로 돌아가서, 에너지 릴레이 요소(4100A)는 도 66a에 개략적으로 설명된 프로파일(4113)을 따라 절단될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 릴레이 표면(4014)의 프로파일(4113)은 절단 없이 다양한 형상 형성 기법, 예컨대 본 개시내용에서 고려되는 바와 같이 몰딩, 프레싱, 벤딩, 인발, 압출, 가열, 냉각, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 형성될 수 있다. 형성된 에너지 릴레이(4100B)의 에너지 전파 경로들(4102)의 사전 결정된 배향 및 릴레이 표면(4114)의 프로파일은 에너지가 릴레이 표면(4114)을 통해 중계되도록 도 65e에 대하여 위에 논의된 계산 프레임워크에 따라 처리되어 에너지 릴레이(4100B)의 축상 방향(4116)에 대해 원하는 각도 범위 및/또는 원하는 각도 정렬 프로파일을 갖는 에너지의 원추들에서 출사될 수 있다.
도 66c에 예시된 실시예에서, 릴레이 표면(4114)의 프로파일은 표면(4114)의 표면 법선(4130)과 각각의 입사점에서의 입사 전파 경로(4102)가 각을 이루어 전파 경로들(4102)을 통해 중계되는 에너지가 도 66c에 도시된 바와 같이 축상 방향(4116)을 향해 기울어진 출구 원추들의 표면(4114)에서 출사할 수 있는 곡률을 포함한다. 도 66b 및 도 66c의 실시예에 의해 입증된 바와 같이, 릴레이 표면(4114)의 프로파일 및 전파 경로들(4102)의 배향은 독립적으로 또는 조합하여 변경되어 계산 프레임워크를 충족하고 기준 방향에 대한 출구 원추들의 특정 각도 정렬 프로파일을 제공하는 각각의 입사점에서 φi 및 αi를 제공할 것이다.
본 개시내용에 제공된 다양한 실시예에서 논의 및 예시된 바와 같이, 에너지 릴레이에서 출사되는 에너지의 각도 범위는 중계된 표면들 사이의 확대 또는 축소를 허용하도록 에너지 릴레이 및 그 에너지 전파 경로를 구성함으로써 제어될 수 있다. 다시 도 65a 내지 도 65e 및 도 66a 내지 도 66c를 참조하면, 릴레이 표면들(4014, 4114)에서의 에너지 출구 원추들의 각도 범위는 확대(도 65a 내지 도 65e) 및 축소(도 66a 내지 도 66c)로 인해 릴레이 표면들(4004, 4104)에서의 입사 에너지 원추들의 각도 범위와 상이하다. 도 65a 내지 도 65e에서, 릴레이 표면(4014)의 표면적보다 더 작은 표면적을 갖는 에너지 릴레이(4000B)의 제1 표면(4004)으로 인한 확대는 릴레이 표면(4014)에서 에너지 출구 원추들의 각도 범위가 제1 표면(4004)에서의 입사 에너지 원추의 각도 범위보다 작게 되도록 한다. 도 66a 내지 도 66c에서, 릴레이 표면(4114)의 표면적보다 더 작은 표면적을 갖는 에너지 릴레이(4100B)의 제1 표면(4104)으로 인한 축소는 릴레이 표면(4114)에서의 에너지 출구 원추들의 각도 범위가 제1 표면(4104)에서의 입사 에너지 원추들의 각도 범위보다 크게 되도록 한다.
도 65a 내지 도 65e 및 도 66a 내지 도 66c의 실시예는 에너지가 중계 표면을 통해 중계되어 실질적으로 원하는 각도 범위로 에너지의 원추들에서 출사되도록 에너지 전파 경로들의 사전 결정된 배향 및 비평면 표면의 프로파일이 어떻게 구성될 수 있는지를 입증한다는 것이 이해될 것이다. 다시 도 65e로 돌아가서, 본 개시내용에서 논의된 계산 프레임워크는 릴레이 표면의 전파 경로(4002)의 입사점에서 에너지 원추의 각도 범위에 해당하는 릴레이 표면에서 각도 γi를 포함하도록 확장될 수 있다. 예시된 실시예에서, 표면(4014)에서의 전파 경로(4002)는 각도 범위(γ1)를 갖는 에너지의 원추에서 표면(4014)의 입사 영역을 통해 에너지를 수용하거나 방출하도록 구성된다. 표면(4020)에서의 동일한 전파 경로(4002)는 입사 점을 갖게 되며, 여기서 전파 경로(4002)는 각도 범위(γ2)를 갖는 에너지 원추에서 표면(4020)의 입사 영역을 통해 에너지를 수용하거나 방출할 것이다. γ1 및 γ2 사이의 비율은 표면들(4014 및 4020)의 각각의 입사 영역에 대한 표면적의 비율에 따라 달라진다. 도 65e의 예시된 실시예에서, 표면(4020)의 입사 영역에 대한 표면적은 표면(4014)의 입사 영역에 대한 표면적보다 작을 수 있으며, 이는 표면(4020)에서의 γ2가 표면(4014)에서의 γ1보다 크다는 것을 의미한다. 표면(4020)의 입사 영역에 대한 표면적이 표면(4014)의 입사 영역에 대한 표면적보다 큰 실시예에서, 표면(4020)에서의 γ2는 표면(4014)에서의 γ1보다 작을 것이다.
이를 더 입증하기 위해, 이제 도 67a 및 도 67b에 도시된 실시예들에 대한 참조가 이루어진다.
도 67a는 도 65a 내지 도 65d의 실시예에서 논의된 접근법을 사용하여 에너지 릴레이 요소(4050A)로부터 형성된 릴레이 표면(4014)을 갖는 에너지 릴레이(4050B)를 예시한다. 릴레이 표면(4014)은 축상 방향으로부터 벗어나 기울어진 에너지의 출구 원추들을 갖는다. 도 65a 내지 도 65d의 실시예 및 도 67a의 실시예 간의 차이점은 에너지 릴레이 요소(4050A)가 에너지 릴레이(4050B)의 에너지 전파 경로들이 에너지 릴레이(4050B)의 제1 표면(4004)과 표면(4014) 사이에서 작은 배율만을 갖게 배향되도록 구성된다는 것이다. 작은 배율은 비평면 표면(4014)에서 에너지의 출구 원추들이 제1 표면(4004)에서 입사 에너지 원추들의 각도 범위보다 단지 약간 더 작은 각도 범위를 갖게 한다.
도 67b는 도 66a 내지 도 66c의 실시예에서 논의된 접근법을 사용하여 에너지 릴레이 요소(4150A)로부터 형성된 릴레이 표면(4114)을 갖는 에너지 릴레이(4150B)를 예시한다. 릴레이 표면(4114)은 실질적으로 축상 방향과 정렬된 에너지의 출구 원추들을 갖는다. 도 66a 내지 도 66c의 실시예 및 도 67b의 실시예 간의 차이점은 에너지 릴레이 요소(4150A)가 에너지 릴레이(4150B)의 에너지 전파 경로들이 에너지 릴레이(4150B)의 제1 표면(4104)과 릴레이 표면(4114) 사이에서 배율을 갖게 배향되도록 구성된다는 것이다. 작은 배율은 비평면 표면(4114)에서 에너지의 출구 원추들이 제1 표면(4104)에서 입사 에너지 원추들의 각도 범위보다 단지 약간 더 작은 각도 범위를 갖게 한다.
이해할 수 있는 바와 같이, 도 67a 및 67b의 실시예들은 작은 배율로 구성된 에너지 릴레이들을 예시하지만, 배율이 없거나 작은 축소가 생성되도록 에너지 릴레이의 전파 경로들 및 릴레이 표면들을 구성하기 위해 동일한 원리가 적용될 수 있다.
도 68a는 도 68a에 도시된 바와 같이 사전 결정된 배향을 갖는 복수의 에너지 전파 경로(4202)를 갖도록 본 개시내용에 개시된 공정들 중 임의의 공정에 따라 형성될 수 있는 에너지 릴레이 요소(4200A)의 실시예를 예시한다. 에너지 릴레이 요소(4200A)의 하단 영역(4210) 근처의 에너지 전파 경로들(4202)은 각각의 입사점에서 실질적으로 제1 표면(4204)의 법선과 정렬된다. 에너지 릴레이 요소(4200A)는 에너지 릴레이 요소(4000A 및 4100A)와 상이하며, 제1 표면(4204)이 만곡되어 있으므로, 각각의 입사점에서 제1 표면(4204)의 법선과 에너지 전파 경로들(4202)의 정렬은 축상 방향(4216)에 대해 축외 방향으로 실질적으로 정렬된 입사 에너지 수용 원추들을 생성한다. 이 구성은 제1 표면(4204)으로 수용될 수 있는 축상 광의 양을 제한할 것이다.
에너지 릴레이 요소(4200A)의 상단부 근처의 전파 경로들(4202)은 각각의 입사점에서 제2 표면(4206)의 법선과 입사각(αi)으로 정렬된다. 표면들(4204 및 4206) 사이에서, 전파 경로들(4202)의 사전 결정된 배향은 도 68a에 도시된 실질적으로 선형의 프로파일을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전파 경로들(4202)은 만곡형 프로파일을 가질 수 있으며, 이는 오목 곡률, 볼록 곡률, 단순 곡률, 점진적 곡률, 복합 곡률, 규칙적 또는 불규칙적 곡률, 또는 임의의 다른 형상 및 형상들의 조합을 포함할 수 있다. 에너지 릴레이 요소(4200A)는 도 68a에 개략적으로 설명된 프로파일(4212)을 따라 절단될 수 있으며, 이는 최종 에너지 릴레이(4200B)의 릴레이 표면(4214)을 형성하기 위해 대부분의 또는 모든 하단 영역(4208)을 제거할 것이다. 일 실시예에서, 표면(4214)의 프로파일(4212)은 절단 없이 다양한 형상 형성 기법, 예컨대 본 개시내용에서 고려되는 바와 같이 몰딩, 프레싱, 벤딩, 인발, 압출, 가열, 냉각, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 형성될 수 있다. 최종 에너지 릴레이(4000B)의 에너지 전파 경로들(4202)의 사전 결정된 배향 및 릴레이 표면(4214)의 프로파일은 에너지가 릴레이 표면(4214)을 통해 중계되도록 처리되어 최종 에너지 릴레이(4200B)의 축상 방향(4216)에 대해 원하는 각도 범위 및/또는 원하는 각도 정렬 프로파일을 갖는 에너지의 원추들에서 입사 또는 출사될 수 있다.
이제 도 68b로 돌아가서, 표면(4206)의 프로파일은 표면(4206)의 표면 법선(4230)과 각각의 입사점에서의 입사 전파 경로(4002)가 각을 이루어 전파 경로들(4002)을 통해 중계되는 에너지가 도 68a 내지 도 68b에 도시된 바와 같이 기준 방향(4216)으로부터 벗어나 기울어진 출구 원추들의 표면(4014)에서 출사할 수 있는 곡률을 포함한다. 표면(4214)의 경우, 표면(4214)의 표면 법선(4032)과 입사 전파 경로(4202)는 각각의 입사점에서 각을 이루어 전파 경로들(4202)을 통해 중계되는 에너지가 기준 방향(4216)으로부터 벗어나 기울어진 수용 원추들의 표면(4214)으로 입사할 수 있다. 기준 방향(4016)을 따라 에너지 릴레이(4000D)를 향해 지향되는 에너지의 경우, 기울어진 수용 원추들의 프로파일은 표면(4214)의 중심으로부터 벗어난 에너지 전파 경로 위치들에서 표면(4214)으로 에너지가 거의 수용되지 않게 한다. 광학 애플리케이션에서, 표면(4214)의 중심에서 벗어난 위치에서 에너지의 비수용 및 표면(4206)의 중심에서 벗어난 위치에서 에너지의 출구 원추들의 축외 각도 정렬은 표면(4014)의 중심 위치 주변에서 단지 좁은 터널의 허용 가능한 축상 이미지 품질을 가져올 수 있다.
앤더슨 편재 재료의 한계 및 정렬된 에너지 편재의 소개
1950년 대에 앤더슨 편재 원리가 소개되었지만, 재료들과 공정들에서의 최근의 기술적인 돌파구들이 이루어지기 전까지는 광학 전송에서는 그 원리가 실제로 탐색될 수 없었다. 횡 방향 앤더슨 편재는 횡단면에서 파의 확산없이 횡 방향으로 무질서하지만 종 방향으로 일정한 재료를 통해 전송되는 파의 전파이다.
횡 방향 앤더슨 편재는 광섬유 면판이 무작위로 혼합되고 함께 융합된 상이한 굴절률(RI: refractive index)을 갖는 섬유의 수백만 개의 개별 가닥(strand)들을 인출하는 것을 통해 제작되는 실험을 통해 관찰되었다. 입력 빔이 면판의 표면들 중 하나에 걸쳐 스캐닝될 때, 대향 표면들 상의 출력 빔은 입력 빔의 횡 방향 위치를 따른다. 앤더슨 편재는 무질서한 매체들 내에 파들의 확산이 없음을 나타내므로, 광섬유 릴레이들과 비교할 때 근본적인 물리학 중 일부는 상이하다. 이것이 의미하는 바는, 다양한 RI를 가진 광섬유들의 무작위 혼합에서의 앤더슨 편재 현상은 내부 전반사에 의해서는 다수의 산란 경로 사이의 무작위화에 의해서보다는 덜 일어나며, 이 경우에서 파 간섭은 종 방향 경로로 계속되는 반면에 횡 배향으로의 전파를 완전히 제한할 수 있다는 것이다. 이 개념에 더하여, 에너지 전송 장치의 횡단면에서의 무작위 분포 대신에 물질파 전파 특성들의 비무작위 패턴이 사용될 수 있다는 것이 본원에서 소개된다. 이러한 비무작위 분포는 본원에서 장치의 횡단면에서의 정렬된 에너지 편재라고 하는 것을 유도할 수 있다. 이러한 정렬된 에너지 편재는 유사한 재료 특성들의 편재화된 그룹화의 발생 - 이는 무작위 분포의 특성으로 인해 발생할 수 있지만 장치를 통한 총 에너지 전송 효율을 저하시키는 작용을 함 - 을 줄인다.
일 실시예에서, 정렬된 에너지 편재 재료들은 광학 변조 전이 함수(MTF: modulation transfer function)에 의해 측정된, 상업적으로 이용 가능한 다중 모드 유리 이미지 섬유들만큼이나 또는 그보다 더 우수한 콘트라스트를 가지고 광을 전송하는 것이 가능할 수 있다. 다중 모드 및 다중 코어 광섬유들을 이용하면, 중계된 이미지들이 코어들의 개별 어레이의 내부 전반사의 특성들로 인해 픽셀화되고, 이 경우 코어들 사이의 영역에서의 이미지 전달 손실은 MTF를 감소시키고 번짐을 증가시킬 것이다. 다중 코어 광섬유를 이용하여 생성된 결과 이미지는, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 잔류 고정형 노이즈 섬유 패턴을 갖는 경향이 있다. 대조적으로, 예시적인 재료 샘플을 통한 동일한 중계된 이미지는, 노이즈 패턴이 고정된 섬유 패턴보다 입자(grain) 구조와 훨씬 더 유사하게 나타나는 횡 방향 앤더슨 편재 원리와 유사한 정렬된 에너지 편재를 나타낸다.
정렬된 에너지 편재 현상을 나타내는 광학 릴레이들에 대한 다른 중요한 이점은 폴리머 재료로 제작되어서 결과적으로 비용과 중량을 감소시킬 수 있는 것이다. 일반적으로 유리 또는 다른 유사한 재료들로 이루어진 유사한 광학 등급 재료는 폴리머들로 생성된 동일한 치수의 재료의 비용보다 100배 이상 더 비쌀 수 있다. 또한, 폴리머 릴레이 광학의 중량은 10배 내지 100배 미만일 수 있다. 의심의 여지를 피하기 위해, 상기의 비용 및 중량 제안들을 충족시키지 않더라도, 앤더슨 편재 특성, 또는 본원에 기재된 바와 같은 정렬된 에너지 편재 특성을 나타내는 임의의 재료가 이 개시내용에 포함될 수 있다. 당업자는 상기의 제안이 유사한 유리 제품들이 배제시키는 중요한 상업적 실행 가능성에 적합한 단일 실시예임을 이해할 것이다. 중요한 추가 이점 중 하나는 정렬된 에너지 편재가 작동하기 위해 광섬유 클래딩이 필요하지 않으며, 종래의 다중 코어 광섬유들에 대한 이러한 것은 광섬유들 사이에서의 광의 산란을 방지하는 동시에 광선들의 일부를 차단하므로 적어도 코어 대 클래드 비율만큼 전송을 감소시킨다(예컨대, 70:30의 코어 대 클래드 비율은 수신된 조명의 최고 70%만을 전송할 것이다). 특정 실시예들에서, 릴레이의 모든 또는 대부분의 재료를 통한 에너지 릴레이는 추가 에너지 제어 재료의 필요성이 감소되거나 제거될 수 있기 때문에 상기 재료를 통한 에너지 릴레이의 효율을 향상시킬 수 있다.
다른 중요한 이점은, 중합체 재료가 반복되는 단위들로 구성되므로 이음매 없이 접합되거나 융합될 수 있는 더 작은 많은 부품들을 생산하는 능력이며, 임의의 두 피스(piece)들의 병합은 둘 이상의 피스들을 함께 병합하는 공정에 따라 컴포넌트를 고유 피스로서 생성하는 것과 거의 동일하다. 대규모 애플리케이션의 경우, 이는 막대한 기반시설 또는 도구화 비용 없이 제조할 수 있는 중요한 이점이며, 다른 방법들로는 불가능한 단일 피스의 재료를 생성하는 능력을 제공한다. 종래의 플라스틱 광섬유들은 이러한 장점들 중 일부를 가지고 있지만 클래딩으로 인해 일반적으로 여전히 일부 거리의 이음매 라인(seam line)을 수반한다.
본 개시내용은 정렬된 에너지 앤더슨 편재 현상을 나타내는 재료들을 제조하는 방법들을 포함한다. 하나 이상의 컴포넌트 엔지니어링된 구조체(CES: component engineered structure)들을 포함할 수 있는 빌딩 블록들을 사용하여 전자기 에너지, 음향 에너지 또는 다른 유형의 에너지의 릴레이들을 구성하는 공정이 제안된다. 용어 CES는 다른 특성들 중에서도 재료 유형, 크기, 형태, 굴절률, 질량 중심(center-of-mass), 전하, 무게, 흡수, 및 자기 모멘트를 이에 제한되지 않고 포함할 수 있는 특정 엔지니어링된 특성(EP: engineered properties)을 갖는 빌딩 블록 컴포넌트를 지칭한다. CES의 크기 스케일은 중계되는 에너지파의 파장의 오더(order)일 수 있으며, 밀리-스케일(milli-scale), 마이크로-스케일(micro-scale), 나노-스케일(nano-scale) 또는 나노-스케일 이하에 걸쳐 변할 수 있다. 다른 EP들은 또한 에너지파의 파장에 크게 의존한다.
본 개시내용의 범위 내에서, 다수의 CES의 특정 배열은 비무작위 패턴을 형성할 수 있으며, 이는 정렬된 에너지 편재를 효과적으로 유도하기 위해 릴레이에 걸쳐 횡 방향으로 반복될 수 있다. CES의 이러한 비무작위 패턴의 단일 예를 본원에서 모듈이라 칭한다. 모듈은 둘 이상의 CES를 포함할 수 있다. 하나의 릴레이 내에 2개 이상의 모듈을 그룹화하는 것을 본원에서 구조체라고 칭한다.
정렬된 에너지 편재는 많은 것들 중에서도 특히 전자기파, 음향파, 양자파, 에너지파의 전송에 적용되는 일반적인 파동 현상이다. 하나 이상의 컴포넌트 엔지니어링된 구조체들은 정렬된 에너지 편재를 나타내는 에너지파 릴레이를 형성할 수 있으며, 그 각각은 대응하는 파장 정도의 크기를 갖는다. 빌딩 블록들에 대한 다른 파라미터는 전자기파들에 대한 굴절률 및 음향파들에 대한 음향 임피던스를 포함하는 이들 빌딩 블록에 사용되는 재료들에서의 에너지파의 속도이다. 예를 들어, 빌딩 블록 크기들 및 굴절률들은 X선으로부터 라디오파까지의 전자기 스펙트럼의 임의의 주파수를 수용하거나 또는 약 0 ㎐ 내지 약 40 ㎑ 범위의 가청 음향 파를 수용하도록 변경될 수 있다. 도 69는 기계 에너지, 예컨대 음향파를 전송하도록 구성된 에너지 릴레이의 예시적인 구조체를 제공한다.
이러한 이유로, 광학 릴레이들에 대한 본 개시내용에 있어서의 논의들은 전체 전자기 스펙트럼뿐만 아니라 음향 에너지 및 기타 여러 유형들의 에너지로 일반화될 수 있다. 이러한 이유로, 에너지원, 에너지 표면, 및 에너지 릴레이라는 용어의 사용은 가시 전자기 스펙트럼과 같은 하나의 특정 형태의 에너지에 대해 실시예가 논의된다 해도 본 개시내용에서 사용될 것이다. 당업자는 한 형태의 에너지에 대해 논의된 바와 같은 본 개시내용의 원리가 다른 형태의 에너지에 대해 구현된 실시예들에 대해 동일하게 적용될 것이라는 것을 이해할 것이다.
의심의 여지를 피하기 위해, 재료의 양, 공정, 유형, 굴절률 등은 단지 예시적인 것이며 정렬된 에너지 편재 특성을 나타내는 임의의 광학 재료가 본원에 포함된다. 게다가, 정렬된 재료들 및 공정들의 임의의 사용이 본원에 포함된다. 본 개시내용에서 언급된 광학 설계의 원리는 일반적으로 모든 형태들의 에너지 릴레이들에 일반적으로 적용되며, 특정 제품, 시장, 폼 팩터, 장착 등을 위해 선택된 설계 구현예들은 이러한 기하학적 형태들을 해결할 필요가 있을 수도 있거나 없을 수도 있지만, 간략화를 위해, 개시된 임의의 접근법은 모든 잠재적인 에너지 릴레이 재료들을 포괄함에 유의해야 한다.
일 실시예에서, 가시적 전자기 에너지의 중계를 위해, CES의 가로 크기는 1 마이크론 정도이어야 한다. CES에 사용되는 재료들은, 유리, 플라스틱, 수지, 에어포켓 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 광학 특성을 나타내는 임의의 광학 재료일 수 있다. 사용되는 재료들의 굴절률은 1보다 높으며, 2개의 CES 유형이 선택되는 경우, 굴절률의 차이는 핵심 설계 파라미터가 된다. 재료의 종횡비는 종 방향으로 파 전파를 보조하기 위해 연장되도록 선택될 수 있다.
실시예들에서, 다른 에너지 도메인으로부터의 에너지가 하나 이상의 CES를 사용하여 중계될 수 있다. 예를 들어, 기계적 진동 형태의 에너지일 수 있는 음향 에너지 또는 햅틱 에너지가 중계될 수 있다. 이러한 대체 에너지 도메인에서의 전송 효율성에 기초하여 적절한 CES를 선택할 수 있다. 예를 들어, 음향 또는 햅틱 에너지를 중계하는 데 있어서 공기가 CES 재료 유형으로서 선택될 수 있다. 실시예들에서, 특정 형태의 전자기 에너지를 중계하기 위해 빈 공간 또는 진공이 CES로서 선택될 수 있다. 또한, 2개의 서로 다른 CES는 공통 재료 유형을 공유할 수 있지만, 모양과 같은 또 다른 엔지니어링된 특성에 있어서 다를 수 있다.
CES의 형성은 형성된 재료들을 취하여 그 조각들을 잘라 원하는 형상으로 형성하는 파괴 공정 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 방법 또는 가법 공정으로서 완료될 수 있으며, 여기서 CES는 성장, 인쇄, 형성, 용융되거나 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 방법으로 제조될 수 있다. 가법 및 파괴 공정들은 제조에 대한 추가 제어를 위해 결합될 수 있다. 이 CES들은 지정된 구조의 크기 및 형상으로 구성된다.
일 실시예에서, 전자기 에너지 릴레이들의 경우, 액체로서 시작하여 다른 처리 파라미터들 중에서도 특히 UV, 열, 시간 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 수단을 통해 광 등급 고체 구조를 형성할 수 있는 광 등급 접합제, 에폭시 또는 다른 공지된 광학 재료들을 사용하는 것이 가능할 수 있다. 다른 실시예에서는, 접합제가 경화되지 않거나 가요성 애플리케이션들에 대한 인덱스 매칭 오일로 제조된다. 접합제는 고체 구조체들 및 비-경화성 오일 또는 광학 액체들에 적용될 수 있다. 이 재료들은 특정 굴절률(RI: refractive index) 특성들을 나타낼 수 있다. 접합제는 CES 재료 1형 또는 CES 재료 2형의 RI와 매칭될 필요가 있다. 일 실시예에서, 광학 접합제의 RI는 PS(polystyrene)와 동일하게 1.59이다. 제2 실시예에서, 이 광학 접합제의 RI는 폴리 메틸 메타크릴레이트(PMMA: poly methyl methacrylate)와 동일하게 1.49이다. 다른 실시예에서는, 광학 접합제의 RI는 열가소성 폴리에스테르(TP: thermoplastic polyester) 재료와 동일하게 1.64이다.
일 실시예에서, 에너지파의 경우, 접합제의 RI가 매칭되는 재료의 RI를 효과적으로 상쇄시키기 위해 CES 재료 1형 및 CES 재료 2형의 혼합물에 접합제가 혼합될 수 있다. 접합제는 기공의 탈출, 원하는 재료 분포, 및 점성 특성의 개발을 달성하기에 충분한 시간이 주어진 상태에서 완전히 혼합될 수 있다. 다양한 재료 밀도들 또는 다른 재료 특성들로 인해 발생할 수 있는 임의의 분리를 방지하기 위해 추가적인 일정한 교반이 구현됨으로써 재료들의 적절한 혼합을 보장할 수 있다.
형성될 수 있는 임의의 기포들을 제거하기 위해 진공장치 또는 챔버에서 이 공정을 수행할 필요가 있을 수 있다. 추가적인 방법은 경화 공정 동안 진동을 도입하는 것일 수 있다.
대안의 방법은 추가적인 형태 특성들 및 EP들을 갖는 3개 이상의 CES를 제공하는 것이다.
일 실시예에서, 전자기 에너지 릴레이들의 경우, 추가적인 방법은 단 하나의 CES만이 접합제와만 함께 사용되도록 제공하는 것이며, 여기서 CES의 RI와 접합제는 상이하다.
추가적인 방법은 임의의 수의 CES들을 제공하는 것이며, 의도적인 기포 도입을 포함한다.
일 실시예에서, 전자기 에너지 릴레이들의 경우, 일 방법은 독립적인 원하는 RI들을 갖는 다수의 접합제들, 및 완전히 혼합된 구조의 형성을 허용하기 위해 이들이 개별적으로 또는 함께 경화될 때 제로, 하나 또는 그 이상의 CES들을 혼합하는 공정을 제공하는 것이다. 2개 이상의 개별 경화 방법들을 활용하여 상이한 툴링 및 절차 방법들에 의해 상이한 간격들에서의 경화 및 혼합하는 능력을 허용할 수 있다. 일 실시예에서, 1.49의 RI를 갖는 UV 경화 에폭시는 1.59의 RI를 갖는 열 경화 제2 에폭시와 혼합되며, 여기서 일정한 재료의 교반은 큰 혼합물 내에서 고체 구조의 형성을 보기 시작하기에 충분한 지속 기간(그러나 대형 입자들이 형성되기에는 충분하지 않은 지속 기간) 동안에만 가열 및 UV 처리를 번갈아 실시하며, 이것은 경화 공정이 동시에 수행되어 재료를 완전히 결합시키는 그러한 경화 공정이 거의 완료되어 교반을 계속할 수 없을 때까지 이루어진다. 제2 실시예에서는, 1.49의 RI를 갖는 CES가 추가된다. 제3 실시예에서는, 1.49 및 1.59의 RI를 갖는 CES가 추가된다.
다른 실시예에서, 전자기 에너지 릴레이들의 경우, 유리 및 플라스틱 재료들이 각각의 RI 특성들에 기초하여 혼합된다.
추가 실시예에서는, 경화 혼합물이 몰드에서 형성되어, 경화 이후에 절삭 및 연마된다. 다른 실시예에서는, 활용된 재료들이 열에 의해서 재액화되고 제1 형상으로 경화된 다음, 테이퍼 또는 굴곡부를 포함하지만 이에 제한되지 않는 제2 형상으로 인발된다.
중합체 재료들을 함께 용접하는 데 사용되는 잘 알려진 종래의 방법이 많이 존재한다는 것을 이해해야 한다. 이러한 기술의 대부분은 ISO 472(문헌["Plastics-Vocabulary", International Organization for Standardization, Switzerland 1999] 참조)에 설명되어 있으며, 이는 그 전체가 본원에 원용되어 포함되고, 열, 기계식 용접(예를 들어, 진동 용접, 초음파 용접 등), 전자기 및 화학식(용제) 용접 방법을 포함한, 재료의 연화된 표면들을 결합시키는 공정을 설명한다.
도 7a는 본 개시내용의 일 실시예에 따라 혼합 오일 또는 액체(76)를 갖는 CES 재료 1형(72) 및 CES 재료 2형(74)을 사용하며 또한 가요성 튜빙 인클로저(78) 내의 릴레이의 어느 단부 상의 제1 표면(77)에서 제2 표면(77)으로 에너지파를 중계하기 위한 단부 캡 릴레이들(79)을 사용 가능한 횡 방향 앤더슨 편재를 나타내는 릴레이의 가요성 릴레이(70)의 절단도를 예시한다. CES 재료 1형(72) 및 CES 재료 2형(74)은 모두 세장형의 엔지니어링된 특성을 갖는다 - 이 실시예에서, 상기 형상은 타원형이지만 원통형 또는 연선형(stranded)과 같은 임의의 다른 세장형 또는 엔지니어링된 형상이 또한 가능하다. 이 세장형 형상은 최소로 엔지니어링된 특성 변화의 채널들(75)을 허용한다.
가시적 전자기 에너지 릴레이들을 위한 실시예의 경우, 릴레이(70)는 CES 재료 2형(74)과 매칭되는 굴절률을 갖고 CES 재료 1형 및 CES 재료 2형의 혼합물의 가요성을 유지하기 위해 유연한 튜브 인클로저(78)에 배치되는 굴절률 매칭 오일(76)로 대체될 수 있으며, 단부 캡들(79)은 이미지가 단부 캡의 일 표면으로부터 다른 표면으로 중계될 수 있도록 보장하는 고체 광학 릴레이들일 수 있다. CES 재료들의 세장형 형상은 최소 굴절률 변화의 채널들(75)을 허용한다. 다수의 릴레이(70)의 경우는 릴레이 결합기를 고체 또는 유연한 형태로 형성하기 위해 단일 표면에 인터레이스될 수 있다.
일 실시예에서, 가시적인 전자기 에너지 릴레이들의 경우, 여러 경우의 릴레이(70) 각각은 이미지의 많은 특정 타일들 중 단 하나만을 보여주는 디스플레이 장치에 한쪽 단부가 연결되고, 광학 릴레이의 다른 쪽 단부는 눈에 띄는 이음매 없이 전체 이미지를 디스플레이하도록 하는 방식으로 정렬된 정규 모자이크로 배치된다. CES 재료들의 특성으로 인해, 모자이크 내에서 다수의 광학 릴레이들을 함께 융합시키는 것이 추가적으로 가능하다.
도 7b는 CES 횡 방향 앤더슨 편재 에너지 릴레이의 강성 구현예(750)의 절단도를 도시한 것이다. CES 재료 1형(72) 및 CES 재료 2형(74)은 재료 2형(74)의 굴절률과 매칭되는 접합제(753)와 혼합된다. 선택적 릴레이 단부 간극들(79)을 사용하여 인클로저(754) 내에서 제1 표면(77)으로부터 제2 표면(77)으로 에너지파를 중계하는 것이 가능하다. CES 재료 1형(72) 및 CES 재료 2형(74)은 모두 세장형의 엔지니어링된 특성을 갖는다 - 이 실시예에서, 상기 형상은 타원형이지만 원통형 또는 연선형과 같은 임의의 다른 세장형 또는 엔지니어링된 형상이 또한 가능하다. 또한, 도 7b에는 종 방향(751)을 따르는 최소로 엔지니어링된 특성 변화의 경로(75)가 도시되어 있으며, 이는 이 방향(751)에서의 한 단부 간극 표면(77)으로부터 다른 단부 간극 표면(77)으로의 에너지파 전파를 돕는다.
CES들의 초기 구성 및 정렬은 기계적 배치 또는 재료들의 EP를 이용하여 행해질 수 있으며 비제한적으로 다음을 포함한다: 액체에서 CES들의 콜로이드에 적용될 때 콜로이드 결정 형성을 야기할 수 있는 전하; 미량의 강자성 재료를 포함하는 CES들을 정렬하는 데 도움이 되는 자기 모멘트, 또는 중력에 의해 경화 전에 결합 액 내에 층들을 생성하는 데 사용되는 CES들의 상대적 중량.
일 실시예에서, 전자기 에너지 릴레이들의 경우, 도 7b에 도시된 구현은 CES 재료 2형(74)의 굴절률과 매칭되는 접합제(753)를 가질 수 있으며, 선택적인 단부 캡들(79)은 이미지가 단부 캡의 일 표면으로부터 다른 표면으로 중계될 수 있도록 보장하는 고체 광학 릴레이들일 수 있고, 최소한의 종 방향 변화를 갖는 EP는 편재화된 전자기 파들의 전파를 돕는 채널들(75)을 생성시키는 굴절률일 수 있다.
가시적 전자기 에너지 릴레이들에 대한 실시예에서, 도 8은 가시적 전자기 에너지 릴레이들에 대한 본 개시내용의 일 실시예에 따른 것으로, 미광(stray light)을 제어하는, 재료의 전체 혼합물 중 주어진 퍼센티지에서 하나의 예시적인 재료의 종 방향 CES 재료 유형들(74, 82)에 따라, 차원 벽외 흡수(DEMA) CES(80)를 포함하는 횡단면의 절단도를 예시하고 있다. 일 실시예에서, DEMA 재료는 탄소, 염료, 금속 재료, 결정, 액정, 메타 재료, 고분자 재료, 반사성 재료, 역반사성 재료를 포함할 수 있다.
세로 치수가 변하지 않는다는 것과는 대조적으로 흡수 재료의 분포가 3차원 모두에서 무작위일 수 있다는 점을 제외하고는 종래의 광섬유 기술의 EMA와 유사하게, 무작위 미광이 흡수되도록 하기 위해, 광을 투과시키지 않는 추가 CES 재료가 혼합물(들)에 추가된다. 또 다른 실시예에서, DEMA 재료는 무작위 또는 비무작위 패턴으로 배치될 수 있고, DEMA 재료는 다른 CES 재료에 대해 고정 또는 가변 피치로 배치될 수 있다. DEMA 재료의 피치는 DEMA 재료 및/또는 CES 재료들의 비무작위 패턴에 따라 1차원 또는 2차원으로 확장될 수 있다. 제3 차원에서 이 접근 방식을 활용하면 이전의 구현 방법보다 훨씬 더 많은 제어가 가능하다. DEMA 재료를 사용함으로써, 모든 광학 릴레이 컴포넌트들의 표면 영역의 차지하고 있는 분율만큼 전체 광 투과를 궁극적으로 감소시키는 연선형 EMA를 포함하는 구현예들을 포함한 임의의 다른 구현예보다 미광 제어가 훨씬 더 완전하게 무작위화된다. DEMA 재료는 전체 혼합물에 대한 임의의 비율로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, DEMA 재료는 재료의 전체 혼합물의 10% 이하를 구성한다. 또 다른 실시예에서, DEMA 재료는 재료의 전체 혼합물의 1% 이하를 구성한다. 재료의 전체 혼합물의 1% 미만에서 DEMA 재료는 광 투과의 실질적인 감소 없이 미광을 흡수하도록 허용될 수 있다.
추가 실시예에서, 2개 이상의 재료가 가열 및/또는 압력에 의해서 처리되어 접합 공정을 수행하며, 이것은 당업계에 공지된 성형 또는 다른 유사한 형성 공정에 의해서 완료되거나 완료되지 않을 수도 있다. 이것은 용융 공정 동안 기포를 제거하기 위해 진공 또는 진동 스테이지 등 내에 적용되거나 적용되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 재료 유형 폴리스티렌(PS) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 갖는 CES가 혼합된 다음, 두 재료들의 융점에 도달할 수 있는 균일한 열 분배 환경에 놓여지는 적절한 몰드에 배치되어, 재료 특성들에 의해 나타나는 시간당 최대 열 상승 또는 감소를 초과하는 것에 의한 손상/파괴를 일으킴 없이 각각의 온도에서 순환된다.
추가 액체 접합제들과 재료들을 혼합할 필요가 있는 공정들의 경우, 각 재료의 가변 밀도를 고려하여, 재료들의 분리를 방지하는 속도의 일정한 회전 공정이 요구될 수 있다.
앤더슨 에너지 릴레이 재료와 정렬된 에너지 릴레이 재료의 구분
도 9는 2개의 컴포넌트 재료, 컴포넌트 엔지니어링된 구조체("CES")(902), 및 CES(904)를 포함하는 입자의 무작위 분포를 포함하는 사전 융합 에너지 릴레이의 부분(900)의 횡단면에서의 절단도를 예시하고 있다. 일 실시예에서, CES(902) 또는 CES(904)를 포함하는 입자는 상이한 굴절률과 같은 상이한 재료 특성을 가질 수 있고, 이를 통해 전송되는 에너지에 앤더슨 편재 효과를 유도하여, 재료의 횡단면에 에너지를 편재화할 수 있다. 일 실시예에서, CES(902) 또는 CES(904)를 포함하는 입자는 종 방향에서 도면의 평면 안팎으로 확장될 수 있고, 이에 의해, 재료의 횡단면에서의 에너지의 편재화로 인해 종래의 광섬유 에너지 릴레이에 비해 산란 효과가 감소한 상태에서 에너지가 종 방향을 따라 전파될 수 있게 된다.
도 10은 각각이 3개의 컴포넌트 재료, 즉 CES(1002), CES(1004), 또는 CES(1006) 중 하나를 포함하는 입자들의 비무작위 패턴을 포함하는 사전 융합 에너지 릴레이의 모듈(1000)의 횡단면에서의 절단도를 예시하고 있다. CES(1002, 1004, 1006) 중 하나를 포함하는 입자는 상이한 굴절률과 같은 상이한 재료 특성을 가질 수 있으며, 이는 모듈의 횡단면에서의 에너지 편재화 효과를 유도할 수 있다. CES(1002, 1004 또는 1006) 중 하나를 포함하는 입자들의 패턴은 CES(1002, 1004 또는 1006) 중 하나를 포함하는 입자들이 배열되는 특정 패턴을 한정하는 모듈 경계(1008) 내에 포함될 수 있다. 도 9와 유사하게, CES(1002, 1004 또는 1006) 중 하나를 포함하는 입자들은 종 방향에서 도면의 평면 안팎으로 연장되어 재료의 횡단면에서 에너지의 편재로 인해 종래의 광섬유 에너지 릴레이들에 비해 감소된 산란 효과로 종 방향을 따라 에너지가 전파될 수 있게 한다.
도 9의 CES(902 또는 904) 중 하나를 포함하는 입자 및 도 10의 CES(1002, 1004, 또는 1006) 중 하나를 포함하는 입자는, 도 9 및 도 10에 도시된 특정 패턴으로 배열되고 도면의 평면에 수직인 종 방향으로 연장되는 각각의 재료의 길고 얇은 봉들일 수 있다. 도 9 및 도 10에 도시된 입자의 원형 단면 형상으로 인해 CES의 개별 입자들 사이에 작은 간격들이 존재할 수 있지만, CES 재료가 융합 공정에서 약간의 유동성을 얻고 함께 "용융"되어 간격들을 채울 것이기 때문에, 그 간격들은 융합 시 효과적으로 제거될 것이다. 도 9 및 도 10에 예시된 단면 형상은 원형이지만, 이는 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되며, 당업자는 사전 융합 재료의 임의의 형상 또는 기하학적 형태가 본원에 개시된 원리에 따라 이용될 수 있음을 인식해야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서, CES의 개별 입자는 원형 단면이 아닌 육각형 단면을 가지며, 이는 융합 전의 입자들 사이의 간격을 더 작게 할 수 있다.
도 11은 컴포넌트 재료들, 즉 CES(1102) 및 CES(1104)를 포함하는 입자들의 무작위 분포를 포함하는 사전 융합 에너지 릴레이의 부분(1100)의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시하고 있다. 상기 부분(1100)은 CES(1102 및 1104)를 포함하는 입자의 무작위 분포를 각각이 포함하는 하위 부분들(1106 및 1108)과 같은 복수의 하위 부분을 가질 수 있다. CES(1102) 및 CES(1104)를 포함하는 입자의 무작위 분포는, 릴레이가 융합된 후, 상기 부분(1100)을 통해 도면의 평면 밖으로 연장되는 종 방향으로 중계되는 에너지에 횡 방향 앤더슨 편재화 효과를 유도할 수 있다.
도 13은 컴포넌트 재료들, 즉 CES(1302) 및 CES(1304)를 포함하는 입자들의 무작위 분포를 포함하는 융합 에너지 릴레이의 부분(1300)의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시하고 있다. 상기 부분(1300)은 도 11의 상기 부분(1100)의 가능한 융합된 형태를 나타낼 수 있다. 본 개시내용의 맥락에서, 유사한 CES의 인접한 입자들이 융합 시 함께 집성될 때, 이를 집성 입자("AP": aggregated particle)로 칭한다. CES(1302)의 AP의 예는 도면 부호 1308에서 볼 수 있으며, 이는 여러 개의 융합되지 않은 CES(1302) 입자의 융합된 형태를 나타낼 수 있다(도 11에 도시됨). 도 13에 도시된 바와 같이, 유사한 CES의 각 연속 입자 사이의 경계와, 유사한 CES 경계 입자를 가진 모듈들 사이의 경계는, 융합 시 제거되고, 상이한 CES의 AP들 사이에 새로운 경계가 형성된다.
앤더슨 편재 원리에 따르면, 재료의 횡 방향으로 분포된 서로 다른 에너지파 전파 특성을 가진 재료의 무작위 분포는 해당 방향 내에서 에너지를 편재화시켜서, 재료의 전송 효율을 저하시킬 수 있는 간섭을 줄이고 에너지 산란을 억제하게 될 것이다. 예를 들어, 전자기 에너지 전송의 맥락에서, 굴절률이 다른 재료들을 무작위로 분포시켜 횡 방향에서의 굴절률의 변동량을 증가시킴으로써, 전자기 에너지를 횡 방향으로 편재화시키는 것이 가능해진다.
그러나, 앞에서 논의한 바와 같이, 무작위 분포의 특성으로 인해, 재료들의 바람직하지 않은 배열이 예기치 않게 형성될 가능성이 있는데, 이는 재료 내에서의 에너지 편재 효과의 실현을 제한할 수 있다. 예를 들어, 도 13의 AP(1306)는 도 11의 대응하는 위치에 도시된 무작위 분포의 입자들을 융합한 후에 잠재적으로 형성될 수 있다. 예를 들어 전자기 에너지를 전송하기 위한 재료를 설계할 때, 설계 고려 사항은 CES의 사전 융합 입자의 가로 크기이다. 에너지가 횡 방향으로 산란되는 것을 방지하기 위해, 융합 시 결과적 평균 AP 크기가, 실질적으로, 재료가 전송하고자 하는 전자기 에너지의 파장 정도로 되도록, 입자 크기를 선택할 수 있다. 그러나, 평균 AP 크기가 설계될 수 있지만, 당업자라면 입자의 무작위 분포는 다양한 예측 불가능한 크기의 AP를 초래할 것이며, 그의 일부는 의도된 파장보다 작고, 그리고 일부는 의도된 파장보다 크다는 것을 인식하게 될 것이다.
도 13에서, AP(1306)는 상기 부분(1300)의 전체 길이에 걸쳐 연장되고, 평균보다 훨씬 큰 크기의 AP를 나타낸다. 이것은 AP(1306)의 크기가 또한 상기 부분(1300)이 종 방향으로 전송하도록 의도된 에너지의 파장보다 훨씬 더 크다는 것을 의미할 수 있다. 결과적으로, 종 방향으로의 AP(1306)를 통한 에너지 전파는 횡단면에서 산란 효과를 경험할 수 있으며, 이는 앤더슨 편재 효과를 감소시켜서 결국에는 AP(1306)를 통해 전파하는 에너지 내에 간섭 패턴을 초래하며 상기 부분(1300)의 전체 에너지 전송 효율의 감소를 초래할 수 있다.
본원에 개시된 원리에 따르면, 무작위 분포의 특성으로 인해, 예를 들어 하위 부분(1108)과 같은, 부분(1100) 내의 하위 부분은 정해진 분포 패턴이 없기 때문에 임의적인 중요성을 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 주어진 무작위 분포에서 동일하거나 실질적으로 유사한 분포 패턴을 포함하는 별개의 하위 부분들을 식별할 수 있는 가능성이 있다는 것은 당업자에게 명백해야 한다. 이러한 발생은 전체적으로 유발된 횡 방향 앤더슨 편재 효과를 현저하게 억제하지 않을 수 있으며, 본 개시내용의 범위는 이러한 경우를 배제하도록 제한되는 것으로 보아서는 안 된다.
본원에 개시된 비무작위 정렬된 에너지 편재 패턴 설계의 고려 사항은 컴포넌트 재료의 무작위 분포에 대한 대안을 나타내는 것으로, 이는 에너지 릴레이 재료가 무작위 분포에 내재된 잠재적으로 제한적인 비정상적인 경우를 피하면서 횡 방향의 에너지 편재 결정 효과를 나타낼 수 있게 한다.
각기 다른 기술 분야와 많은 학문 분야 전반에 걸쳐, "무작위성"의 개념과 실제로 무작위인지 아닌지에 대한 개념은 항상 명확하지는 않다는 점에 유의해야 한다. 이하에서 논의되는 무작위 및 비무작위 패턴, 배열, 분포 등을 논의할 때 본 개시내용의 맥락에서 고려해야 할 몇 가지 중요한 사항이 있다. 그러나, 본원에서의 개시내용은 무작위성 또는 비무작위성의 개념을 개념화 및/또는 체계화하는 유일한 방법이 결코 아님을 이해해야 한다. 많은 대안적이고 동등하게 유효한 개념화가 존재하고, 본 개시내용의 범위는 본 맥락에서 당업자에 의해 고려되는 임의의 접근법을 배제하도록 제한되는 것으로 보아서는 안 된다.
당업계에 주지되어 있으며 본원에 원용되어 포함되는 문헌[Smith, T.E., (2016) Notebook on Spatial Data Analysis][온라인] (http://www.seas.upenn.edu/~ese502/#notebook)에 기술되어 있는 완전한 공간 무작위("CSR": complete spatial randomness)는, 완전히 무작위 방식으로 위치하는 공간 내(이 경우, 2D 평면 내) 점들의 분포를 설명하는 데 사용되는 개념이다. CSR을 설명하는 데 사용되는 두 가지 공통적 특징, 즉 공간 라플라스 원리와, 통계적 독립성의 가정이 있다.
공간 확률 영역에 보다 일반적인 라플라스 원리를 적용한 공간 라플라스 원리가 기본적으로 언급하고 있는 바는, 달리 표시할 정보가 있지 않는 한, 한 점이 특정 위치에 있을 가능성으로 여길 수 있는 특정 이벤트의 가능성은 한 공간 내의 각 위치에 대해 아마도 동일하다는 것이다. 즉, 한 영역 내의 각 위치는 한 점을 포함할 가능성이 동일하므로, 한 점을 찾을 확률은 해당 영역 내 각각의 위치 전역에서 동일하다. 이것의 또 다른 의미는, 특정 하위 영역 내에서 한 점을 찾을 확률은 전체 참조 영역의 면적에 대한 해당 하위 영역의 면적의 비율에 비례한다는 것이다. CSR의 두 번째 특징은 공간적 독립성의 가정이다. 이 원리는, 한 영역 내 다른 데이터 지점들의 위치는 특정 위치에서 데이터 지점을 찾을 확률에 영향을 미치지 않는다고, 가정한다. 즉, 데이터 지점들은 서로 독립적이라고 가정하며, 말하자면 "주변 영역"의 상태는 참조 영역 내의 한 위치에서 데이터 지점을 찾을 확률에 영향을 주지 않는다.
CSR의 개념은 본원에 설명된 CES 재료의 일부 실시예와 같은 재료의 비무작위 패턴의 대조적인 예로서 유용하다. 앤더슨 재료는 본 개시내용의 다른 곳에서는 에너지 릴레이의 횡단면에서의 에너지 전파 재료들의 무작위 분포인 것으로 설명되어 있다. 위에서 설명한 CSR 특징을 염두에 두면서, 이러한 앤더슨 재료 분포의 "무작위성"이 CSR을 따르는지 여부를 결정하기 위해 본원에 설명된 앤더슨 재료의 일부 실시예들에 이러한 개념을 적용할 수 있다. 제1 및 제2 재료를 포함하는 에너지 릴레이의 실시예를 가정하면, 제1 재료나 제2 재료의 CES는 실시예의 횡단면에서 대략 동일한 면적을 차지할 수 있기 때문에(가로 치수에 있어서 대략 동일한 크기임을 의미 함), 또한 제1 및 제2 CES가 실시예에서 동일한 양으로 제공되는 것으로 가정할 수 있기 때문에, 에너지 릴레이 실시예의 횡단면을 따르는 임의의 특정 위치에 있어서는 이와 관련하여 적용된 공간 라플라스 원리에 따르면 제1 CES나 제2 CES에 동일한 가능성이 있을 것이라고 가정할 수 있다. 대안으로, 다른 에너지 릴레이 실시예에서 릴레이 재료들이 상이한 양으로 제공되거나 서로 다른 가로 크기를 갖는 경우, 이 경우에서도 마찬가지로, 공간적 라플라스 원리를 염두에 둘 때, 어느 한 재료를 찾을 확률은 제공된 재료들의 비율이나 또는 그 재료들의 상대적인 크기에 비례할 것으로 예상된다.
다음으로, 앤더슨 에너지 릴레이 실시예의 제1 재료와 제2 재료 모두가 (완전한 기계식 혼합 또는 기타 수단에 의해) 무작위 방식으로 배열되기 때문에, 게다가, 재료들이 무작위화됨에 따라 재료들의 "배열"이 동시에 발생하고 자발적으로 발생할 수 있다는 사실에 의해 입증되었기 때문에, 이들 실시예에 있어서, 이웃하는 CES 재료들의 정체성(identity)은 특정 CES 재료의 정체성에 실질적으로 영향을 미치지 않을 것이며 이와 반대의 경우도 마찬가지라는 것을 주장할 수 있다. 즉, 이러한 실시예들에서의 CES 재료들의 정체성은 서로 독립적이다. 따라서, 본원에 설명된 앤더슨 재료 실시예들은 설명된 CSR 특성을 만족시킨다고 말할 수 있다. 물론, 위에서 논의한 바와 같이, 외부 요인들 및 "실제" 혼동 요인들의 특성은 CSR 정의가 엄격한 앤더슨 에너지 릴레이 재료의 실시예들의 준수에 영향을 미칠 수 있지만, 당업자는 이러한 앤더슨 재료 실시예들이 그러한 정의의 합리적인 허용 오차 범위 내에 실질적으로 속한다는 것을 이해할 것이다.
대조적으로, 본원에 개시된 바와 같은 정렬된 에너지 편재 릴레이 재료 실시예들 중 일부에 대한 분석은 그들에 대응하는 앤더슨 재료 실시예들로부터의(그리고 CSR로부터의) 특정 이탈을 강조한다. 앤더슨 재료와 달리, 정렬된 에너지 편재 릴레이 실시예 내의 CES 재료의 정체성은 그의 이웃의 정체성과 크게 상관 관계가 있을 수 있다. 특정의 정렬된 에너지 편재 릴레이 실시예들 내에서의 CES 재료들의 배열의 바로 그 패턴에 대한 설계는, 다른 많은 것들 중에서도 특히, 융합 시 그러한 재료들에 의해 형성된 AP의 유효 크기를 제어하기 위해서 유사한 재료들을 서로에 대해 공간적으로 배열하는 방식에 영향을 미치도록, 설계된다. 다시 말해, 재료들을 정렬된 에너지 편재 분포로 배열하는 일부 실시예의 목표들 중 하나는 단일 재료(AP)를 포함하는 임의의 영역의 가로 치수에 있어서의 최종 단면적(또는 크기)에 영향을 미치도록 하는 것이다. 이는 에너지가 종 방향을 따라 중계될 때 상기 영역 내에서의 횡 방향 에너지 산란 및 간섭의 효과를 제한할 수 있다. 따라서, 에너지 릴레이 재료들이 정렬된 에너지 편재 분포 실시예에서 처음 "배열"될 때 어느 정도의 특이성 및/또는 선택성이 발휘되며, 이는 특정 CES 정체성이 다른 CES, 특히 바로 그 주변에 있는 재료들의 정체성과 "독립"되는 것을 허용하지 않을 수 있다. 반대로, 특정 실시예들에서는, 어느 하나의 특정 CES의 정체성이 패턴의 연속성에 기초하여 결정되는 상태 및 패턴의 어떤 부분(따라서, 어떤 재료)이 이미 배열되어 있는지를 알고 있는 상태에서, 재료들이 비무작위 패턴에 따라 구체적으로 선택된다. 이러한 특정의 정렬된 에너지 편재 분배 에너지 릴레이 실시예들은 CSR 기준을 따를 수 없다는 결론이 난다. 따라서, 둘 이상의 CES 또는 에너지 릴레이 재료들의 패턴 또는 배열은 본 개시내용에서는 "비무작위" 또는 "실질적으로 비무작위"로 설명될 수 있고, 당업자는, 위에서 설명된 CSR의 일반적인 개념 또는 특성은, 다른 많은 것들 중에서도 특히, 비무작위 또는 실질적으로 비무작위 패턴을 무작위 패턴과 구별하기 위해 고려될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 설명된 CSR의 일반적인 개념 또는 특성을 실질적으로 준수하지 않는 재료는 정렬된 에너지 편재 재료 분포로 간주될 수 있다. 본 개시내용에서, '정렬된(ordered)'이라는 용어는 정렬된 에너지 편재(Ordered Energy Localization)의 원리를 통해 에너지를 전송하는 릴레이용 컴포넌트 엔지니어링된 구조 재료들의 분포를 설명하는 데 쓰일 수 있다. '정렬된 에너지 릴레이', '정렬된 릴레이', '정렬된 분포', '비무작위 패턴' 등의 용어는 에너지가 본원에 설명된 것과 동일한 정렬된 에너지 편재 원리를 적어도 부분적으로 통해 전송되는 에너지 중계를 설명한다.
물론, CSR 개념은 본원에서는 고려할 예시적인 지침으로 제공되며, 당업자는 비무작위 패턴을 무작위 패턴과 구별하기 위해 당업계에 알려진 다른 원리를 고려할 수 있다. 예를 들어, 사람들의 서명처럼, 비무작위 패턴은 노이즈를 포함하는 비무작위 신호로 간주될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 비무작위 패턴들은 이들이 노이즈를 포함함으로 인해 동일하지 않더라도 실질적으로는 동일할 수 있다. 패턴 인식 및 비교 기술에는 노이즈와 비무작위 신호들을 분리시키고 후자를 상관시키는 데 사용할 수 있는 수많은 종래 기술이 존재한다. 예로서, 본원에 원용되어 포함되는 로즈(Rhoades)의 미국 특허 제7,016,516호는 무작위성(노이즈, 부드러움, 눈내림 현상 등)을 식별하고 비무작위 신호를 상관시켜 서명이 진짜인지 여부를 결정하는 방법을 기술하고 있다. 신호의 무작위성의 계산은 이 분야의 숙련인들이 잘 이해하고 있으며, 한 가지 예시적인 기법은 각 샘플 지점에서 신호의 미분을 취하고, 이 값을 제곱한 다음, 전체 신호에 대해 합하는 것이라고 로즈(Rhodes)는 언급하고 있다. 로즈는 주지의 다른 다양한 기법을 대안으로 사용할 수 있다고 더 언급하고 있다. 종래의 패턴 인식 필터 및 알고리즘이 동일한 비무작위 패턴을 식별하는 데 사용될 수 있다. 예들이 미국 특허 제5,465,308호 및 제7,054,850호에 제공되며, 이들 모두는 본원에 원용되어 포함된다. 그 밖의 다른 패턴 인식 및 비교 기법은 여기서는 반복해서 설명하지 않지만, 당업자라면 에너지 릴레이가, 실질적으로 비무작위 패턴으로 배열되는 적어도 제1 및 제2 재료를 각각 포함하며 사실상 동일한 실질적으로 비무작위인 패턴을 포함하는 복수의 반복 모듈을, 포함하는지 여부를 결정하기 위해 기존 기법을 쉽게 적용할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
또한, 무작위성 및 노이즈와 관련하여 위에서 언급한 관점에서, 실질적으로 비무작위 패턴으로의 재료들의 배열은 기계적 부정확성 또는 제조 변동성과 같은 의도하지 않은 요인들로 인해 의도한 패턴의 왜곡을 겪을 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이러한 왜곡의 예가 도 20b에 도시되어 있는데, 이 경우에서, 2개의 상이한 재료들 사이의 경계(2005)가 융합 공정에 의해 영향을 받고, 그 결과 도 20a에 예시된 재료들의 비무작위 배열의 원래 부분이 아닌 고유한 형상을 갖는다. 그러나 비무작위 패턴에 대한 그러한 왜곡은 대체로 피할 수 없으며 기계 기술의 본질에 내재적인 것이라는 점과, 도 20a에 도시된 재료들의 비무작위 배열은 상기 재료들의 경계에 대한 기계적 왜곡에도 불구하고 도 20b에 도시된 융합된 실시예에서 여전히 실질적으로 유지된다는 점은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 재료들의 배열을 고려할 때, 패턴의 왜곡된 부분을 왜곡되지 않은 부분과 구별하는 것은, 마치 두 개의 서명이 고유함에도 불구하고 동일한 사람에 속하는 것으로 식별하는 것처럼, 당업자의 능력 범위 내에 있다.
도 12a는 3개의 컴포넌트 재료 CES(1202, CES 1204, 또는 CES 1206)의 비무작위 패턴(정렬된 에너지 편재화를 통해 에너지를 중계하도록 구성된 분포) - 이는 다수의 모듈을 비슷한 배향으로 한정함 - 을 포함하는 사전 융합 에너지 릴레이의 부분(1200)의 횡단면에서의 절단도를 예시한다. 이들 3개의 CES 재료들의 입자들은, 모듈(1208) 및 모듈(1210)과 같이, 상기 입자들의 실질적으로 불변하는 분포를 공유하는 반복 모듈로 배열된다. 부분(1200)은 도 12a에 예시된 바와 같이 6개의 모듈을 포함하지만, 주어진 에너지 릴레이의 모듈 수는 임의의 수일 수 있으며, 원하는 설계 파라미터에 기초하여 선택될 수 있다. 또한, 모듈 크기, 모듈 당 입자 수, 모듈 내 개별 입자의 크기, 모듈 내 입자들의 분포 패턴, 각기 다른 유형의 모듈의 수, 및 별도의 모듈형 또는 개재 재료의 포함은 모두 다 고려되어야 할 설계 파라미터일 수 있으며 본 개시내용의 범위 내에 속할 수 있다.
마찬가지로, 각 모듈 내에 포함된 각기 다른 CES의 수는 도 12a에 예시된 바와 같이 3개일 필요는 없지만, 바람직하게는, 원하는 설계 파라미터에 적합한 임의의 수일 수 있다. 또한, 원하는 설계 파라미터를 만족시키기 위해 각 CES가 갖고 있는 각기 다른 특징적 특성들은 가변적일 수 있으며, 차이점은 굴절률에만 제한되어서는 안 된다. 예를 들어, 2개의 상이한 CES는 실질적으로 동일한 굴절률을 가질 수 있지만 융점 온도가 다를 수 있다.
부분(1200)을 포함하는 모듈의 비무작위 패턴은, 도 12a에 예시된 에너지 릴레이의 부분(1200)을 통해 전송되는 에너지의 산란을 최소화하기 위해, 그리고 횡 방향 에너지 편재화를 촉진하기 위해, 위에서 설명된 정렬된 에너지 편재 분포 특성을 만족시킬 수 있다. 본 개시내용의 맥락에서, 인접한 입자들은 횡단면에서 서로 실질적으로 인접한 입자일 수 있다. 입자들은 서로 접촉하는 것으로 예시될 수 있거나, 인접한 입자들 사이에 예시된 빈 공간이 있을 수 있다. 인접한 예시된 입자들 사이의 작은 간극은 예기치 않은 기술적 아티팩트이거나, 또는 재료들의 실제 배열에서 발생할 수 있는 미세한 기계적 변화를 예시하기 위한 것임을 당업자는 이해할 것이다. 게다가, 본 개시내용은 또한 실질적으로 비무작위 패턴의 CES 입자들의 배열을 포함하지만, 제조 변동 또는 설계에 의한 의도적 변동으로 인한 예외를 포함한다.
CES 입자들의 정렬된 에너지 편재 패턴은 더 많은 에너지 편재가 이루어지게 할 수 있고, 릴레이 재료를 통한 횡 방향의 에너지 산란을 감소시킬 수 있으며, 결과적으로 재료를 통한 에너지 전송 효율을 다른 실시예에 비해 더 높게 할 수 있다. 도 12b는 3개의 컴포넌트 재료들, 즉 CES(1202), CES(1204), 및 CES(1206)의 입자들의 비무작위 패턴을 포함하는 사전 융합 에너지 릴레이의 부분(1250)의 횡단면에서의 절단도를 예시하고 있는 것으로, 여기서 상기 입자들은 다수의 모듈을 다양한 배향으로 한정하고 있다. 부분(1250)의 모듈(1258 및 1260)은 도 12a의 모듈(1208 및 1210)의 것과 유사한 비무작위 패턴의 재료들을 포함한다. 그러나 모듈(1260) 내의 재료들의 패턴은 모듈(1258)의 패턴에 대해 회전된다. 부분(1250)의 몇몇 다른 모듈들도 또한 회전된 분포 패턴을 나타낸다. 이러한 회전 배열에도 불구하고, 부분(1250) 내의 각 모듈은, 각 모듈 내의 입자 분포의 실제 패턴이 그에 얼마나 많은 회전이 부과되는지에 관계없이 동일하게 유지되기 때문에, 위에 설명된 정렬된 에너지 편재 분포를 갖는다는 점에 유의하는 것이 중요하다.
도 14는 3개의 컴포넌트 재료들, 즉 CES(1402), CES(1404), 및 CES(1406)의 입자의 비무작위 패턴을 포함하는 융합 에너지 릴레이의 부분(1400)의 횡단면에서의 개략 절단도를 예시하고 있다. 상기 부분(1400)은 도 12a의 상기 부분(1200)의 가능한 융합된 형태를 나타낼 수 있다. CES 입자들을 정렬된 에너지 편재 분포로 배열함으로써, 도 14에 도시된 릴레이는 릴레이를 통한 종 방향으로의 에너지 전송을 도 13에 도시된 무작위 분포에 비해 더 효율적으로 실현할 수 있다. 재료를 통해 전송될 에너지의 파장의 대략 1/2인 직경을 가진 CES 입자들을 선택하고 이를 도 12a에 도시된 사전 융합 정렬된 에너지 편재 분포로 배열함으로써, 도 14에 도시된 융합 후의 결과적인 AP의 크기는 의도된 에너지의 파장의 1/2배 내지 2배의 가로 치수를 가질 수 있다. 횡 방향 AP 치수를 이 범위 내로 실질적으로 제한함으로써, 재료를 통해 종 방향으로 전송되는 에너지는 정렬된 에너지 편재가 이루어지게 할 수 있으며, 산란 및 간섭 효과를 감소시킬 수 있다. 일 실시예에서, 릴레이 재료에서의 AP의 가로 치수는 바람직하게는 AP를 통해 종 방향으로 전송되도록 의도된 에너지의 파장의 1/4배 내지 8배일 수 있다.
도 14에서 볼 수 있는 바와 같이, 도 13과 대조되게, 모든 AP 전역에 걸친 크기의 현저한 일관성이 있으며, 이는 사전 융합 CES 입자들이 배열되는 방식에 대해 제어를 가한 결과일 수 있다. 구체적으로, 입자 배열의 패턴을 제어하게 되면 더 큰 에너지 산란 및 간섭 패턴을 갖는 더 큰 AP의 형성을 줄이거나 제거할 수 있으며, 이는 에너지 릴레이 내의 CES 입자들의 무작위 분포에 대한 개선을 나타낸다.
도 15는 2개의 상이한 CES 재료, 즉 CES(1502) 및 CES(1504)의 무작위 분포를 포함하는 에너지 릴레이의 부분(1500)의 단면도를 예시하고 있다. 부분(1500)은 도면의 세로 축을 따라 종 방향으로 에너지를 전송하도록 설계되었으며, 횡 방향으로 도면의 가로 축을 따라 분포된 다수의 AP를 포함한다. AP(1510)는 부분(1500) 내의 모든 AP의 평균 AP 크기를 나타낼 수 있다. 부분(1500)의 융합 전에 CES 입자들의 분포를 무작위화한 결과, 부분(1500)을 구성하는 개별 AP는 도면 부호 1510로 표시된 평균 크기에서 실질적으로 벗어날 수 있다. 예를 들어, AP(1508)는 횡 방향의 AP(1510)보다 상당한 크기만큼 넓다. 결과적으로, AP(1510 및 1508)를 통해 종 방향으로 전송되는 에너지는 현저하게 다른 위치 효과를 경험할 뿐만 아니라 다른 크기의 파동 산란 및 간섭도 경험할 수 있다. 그 결과, 중계된 목적지에 도달할 때, 부분(1500)을 통해 전송되는 임의의 에너지는 부분(1500)에 들어갈 때 원래 상태에 비해 횡축을 가로질러 상이한 레벨의 가간섭성(coherence) 또는 다양한 강도를 나타낼 수 있다. 에너지가 릴레이에 들어갔을 때와 상당히 다른 상태에 있는 릴레이에서 나오게 되는 에너지는 이미지 광 전송과 같은 특정 애플리케이션들에 있어서는 바람직하지 않을 수 있다.
또한, 도 15에 도시된 AP(1506)는 평균 크기의 AP(1510)보다 횡 방향에서 실질적으로 더 작을 수 있다. 결과적으로, AP(1506)의 횡폭은 특정의 원하는 에너지파 도메인의 에너지가 효과적으로 전파되게 하기에는 너무 작아서, 상기 에너지의 저하를 야기하며, 상기 에너지를 중계하는 부분(1500)의 성능에 부정적인 영향이 미칠 수 있다.
도 16은 3개의 상이한 CES 재료, 즉 CES(1602), CES(1604), 및 CES(1606)의 비무작위 패턴을 포함하는 에너지 릴레이의 부분(1600)의 단면도를 예시하고 있다. 부분(1600)은 도면의 세로 축을 따라 종 방향으로 에너지를 전송하도록 설계되었으며, 횡 방향으로 도면의 가로 축을 따라 분포된 다수의 AP를 포함한다. CES(1604)를 포함하는 AP(1610)와 CES(1602)를 포함하는 AP(1608)는 둘 다 횡 방향에서 실질적으로 동일한 크기를 가질 수 있다. 부분(1600) 내의 모든 다른 AP들도 또한 횡 방향으로 유사한 AP 크기를 실질적으로 공유할 수 있다. 결과적으로, 부분(1600)을 통해 종 방향으로 전송되는 에너지는 부분(1600)의 횡축을 가로질러 실질적으로 균일한 편재화 효과를 경험할 수 있고, 감소된 산란 및 간섭 효과를 겪을 수 있다. 가로 치수에서 일관된 AP 폭을 유지함으로써, 부분(1600)에 들어가는 에너지는 그 에너지가 부분(1600)에 들어가는 횡 방향을 따라 어디에서든지 동일하게 중계되고 영향을 받을 것이다. 이것은 이미지 광 전송과 같은 특정 애플리케이션들의 경우에 도 15에서 설명되고 있는 무작위 분포에 대한 에너지 전송의 개선을 나타낼 수 있다.
도 17은 컴포넌트 재료들 CES(1702 및 1704)를 포함하는 집성 입자들의 무작위 분포를 포함하는 에너지 릴레이의 부분(1700)의 단면 사시도를 예시한다. 도 17에서, 입력 에너지(1706)는, 에너지(1706)를 나타내는 화살표로 표시된 바와 같이, 도면에서 수직 방향에 대응하는 릴레이를 통한 종 방향(y-축)으로의 부분(1700)을 통한 전송을 위해 제공된다. 에너지(1706)는 측면(1710)에서 부분(1700) 안으로 수용되고, 측면(1712)에서 부분(1700)으로부터 에너지(1708)로서 나온다. 에너지(1708)는 이 에너지(1708)가 부분(1700)을 통해 전송될 때 불균일한 변환을 겪었음을 예시하기 위한 것인 다양한 크기와 패턴의 화살표를 갖는 것으로 예시되어 있고, 상이한 부분들의 에너지(1708)는, 종 방향 에너지 방향(1706)에 수직인 횡 방향(x-축)에서의 크기 및 편재화의 양을 변화시킴으로써, 초기 입력 에너지(1706)와 다르다.
도 17에 예시된 바와 같이, 원하는 에너지파가 측면(1710)에서 측면(1712)으로 효과적으로 전파되게 하기에 너무 작거나 아니면 부적합한 가로 크기를 갖는 AP(1714)와 같은 AP가 있을 수 있다. 유사하게, 원하는 에너지파가 측면(1710)에서 측면(1712)으로 효과적으로 전파되게 하기에 너무 크거나 아니면 부적합한 AP(1716)와 같은 AP가 있을 수 있다. 부분(1700)을 형성하는 데 사용되는 CES 입자들의 무작위 분포의 결과일 수 있는 부분(1700) 전역에 걸친 에너지 전파 특성의 이러한 변화의 결합된 효과는 에너지 릴레이 재료로서의 부분(1700)의 효능 및 유용성을 제한할 수 있다.
도 18은 3개의 컴포넌트 재료, 즉 CES(1802), CES(1804), 및 CES(1806)의 집성 입자들의 비무작위 패턴을 포함하는 에너지 릴레이의 부분(1800)의 단면 사시도를 예시하고 있다. 도 18에서, 입력 에너지(1808)는, 에너지(1808)를 나타내는 화살표로 표시된 바와 같이, 도면에서 수직 방향에 대응하는 릴레이를 통한 종 방향으로의 부분(1800)을 통한 전송을 위해 제공된다. 에너지(1808)는 측면(1812)에서 부분(1800)으로 수용되고, 측면(1814)으로 중계되어 그로부터 에너지(1810)로서 나온다. 도 18에 도시된 바와 같이, 출력 에너지(1810)는 부분(1800)의 횡 방향을 가로질러 실질적으로 균일한 특성을 가질 수 있다. 또한, 입력 에너지(1808)와 출력 에너지(1810)는 파장, 강도, 해상도, 또는 임의의 다른 파동 전파 특성과 같은 실질적으로 불변인 특성을 공유할 수 있다. 이것은, 횡 방향을 따라 각 지점에서 에너지가 공통적으로 영향을 받는 방식으로 부분(1800)을 통해 전파될 수 있게 하여 방출 에너지(1810)에 걸쳐 임의의 분산 및 입력 에너지(1808)와 방출 에너지(1810) 사이의 임의의 분산을 제한하는 데 도움이 될 수 있는, 부분(1800)의 횡 방향에 따른 AP의 균일한 크기와 분포에 기인한 것일 수 있다.
에너지 릴레이 형성을 위한 이축 응력을 해결하는 고정 방법
도 23a는 2개의 피스(2602 및 2604)를 포함하는 고정구에 사전 융합 릴레이 재료(2606)를 고정함으로써 에너지 릴레이 재료를 융합시키기 위한 시스템(2600)의 사시도를 예시한다. 재료(2606)는 고정구(2602 및 2604) 내에 배치되기 전에 무작위 또는 패턴화 패턴으로 배열될 수 있으며, 그 후에는 고정구에 의해 배열된 패턴으로 유지된다. 실시예들에서, 재료들(2606)의 패턴은 고정구들(2602 및 2604)이 함께 조립된 후에 그 고정구들 사이의 내부 공간에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 릴레이 재료(2606)를 융합하기 전, 융합하는 동안, 또는 융합한 후에 재료(2606)의 이완이 발생할 수 있다. 도 23b 및 도 23d에 도시된 예는 재료(2606)의 패턴을 도시하고 있지만, 재료의 패턴에 동일한 처리 방법이 사용될 수 있다.
도 23b는 고정구(2602 및 2604)가 조립되고 에너지 릴레이 재료를 융합하는 일부로서 에너지 릴레이 재료를 포함하는 실시예를 예시하고 있다. 재료(2606)의 패턴을 포함하는 조립된 고정구(2602 및 2604)는 릴레이 재료를 이완시키기 위해 적절한 온도에서 적절한 시간 동안 열(2614)을 가함으로써 가열될 수 있다. 일 실시예에서, 가하는 시간 및 온도의 양은 열의 추가 또는 제거로 인한 구조적 응력의 변화를 포함하여 릴레이 재료의 재료 특성에 기초하여 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 재료(2606)의 이완은, 예를 들어 이축 재료에서 응력의 풀림 처리 이완으로부터의 응력을 포함한 구조 응력을 풀기 위해 재료가 장시간 동안 소정의 온도 또는 소정의 온도 범위 내에 유지되도록 하는 사전 융합 공정일 수 있고, 융합 과정에서 재료들이 보다 효과적인 접합부를 형성하는 데 도움을 줄 수 있다. 에너지 릴레이 재료가 융합 전에 이완되지 않으면, 융합 공정이 발생한 후에 재료가 "이완"되어, 재료가 변형 또는 인접 재료와의 박리를 겪을 수 있거나, 그렇지 않으면 CES 재료 패턴이 원하지 않는 방식으로 전위되어 손상될 수 있다. 이완 방법은 이러한 것을 방지하려는 것으로서, 융합 공정을 위한 릴레이 재료의 패턴을 준비하여서 패턴이 융합 후에 더 많은 정도로 유지될 수 있도록 함으로써, 방지하려는 것이다. 추가적으로, 이완 재료는 도 21에 예시된 공정 동안 재료를 보다 효과적으로 인발하거나 당길 수 있다. 이완 공정이 완료되면, 시스템이 열(2614) 조정에 의해 융합 온도로 가열됨에 따라 재료들(2606)이 고정구(2602 및 2604) 내에 유지되어서, 재료들(2606)이 서로 융합되거나, 또는 재료들이 융합 전에 고정구(2602 및 2604)로부터 제거될 수 있다.
도 23c는 융합된 에너지 릴레이 재료(2608)가 형성되도록 도 23b에서 도면 부호 2606으로 나타낸 재료들이 함께 융합되는 것을 예시하고 있다. 도시된 실시예에서, 릴레이 재료들은 릴레이 융합 공정 동안 고정구(2604 및 2602) 내부에 유지되고, 이어서 도 24에 예시된 바와 같은 결과물인 융합 릴레이(2608)가 고정구에서 제거된다. 실시예들에서, 에너지 릴레이 재료들이 융합 전에 고정구(2602 및 2604)로부터 제거될 수 있다.
추가적으로, 일 실시예에서, 고정구(2602 및 2604)는 에너지 릴레이 재료에 압축력(2610)을 가하도록 구성될 수 있다. 압축력(2610)은 내부 응력이 재료에서 이완될 때 횡단면을 따르는 팽창 또는 변형에 대한 저항을 제공하기 위해 에너지 릴레이 재료의 횡단면을 따라 지향시킬 수 있다. 이러한 압축력(2610)은, 압축력의 크기를 에너지 릴레이 재료에 적용되는 온도 변화와 조합되어 원하는 대로 증가 또는 감소시킬 수 있도록, 조정 가능할 수 있다. 실시예들에서, 압축력(2610)은 에너지 릴레이 재료의 상이한 부분들이 상이한 크기의 압축력을 동시에 경험할 수 있도록 종 배향을 따라 추가로 가변적일 수 있다. 이 압축력(2610)은 고정구 부품(2602 및 2604)을 함께 고정시키는 볼트(2612)로 적용될 수 있으며, 이 경우 볼트(2612)는 릴레이의 길이를 따라 분포된다. 다른 실시예에서, 고정구 부품(2602 및 2604)의 내측면은, 고정구의 길이를 연장하며 릴레이의 중심을 향해 힘을 가할 수 있는 이동 가능한 스트립을 포함할 수 있다.
도 23d는 반경 방향 내측으로 압축력을 가하기 위한 고정구의 각 내부 표면 상의 이동 가능한 스트립을 갖는, 에너지 릴레이 재료들을 융합시키기 위한 고정구(2601)의 사시도를 예시한다. 도 23d에 예시된 실시예에서, 고정구 부품(2602 및 2604)의 내측면은, 고정구(2601)의 종 방향(예를 들어, 길이)을 따라 연장되며 구속 공간(2606)의 주변부 주위에 위치된 이동 가능한 스트립(2621)을 포함할 수 있다. 스트립(2621)은, 고정구(2601) 내에서 구속될 수 있는, 도 23c의 재료(2608)와 같은, 릴레이 재료의 중심을 향해 배향되며 고정구(2601)에 의해 한정된 구속 공간(2606)을 향해 압축력(2610)을 적용하기 위해, 종 방향에 수직인 횡 방향을 따라 이동하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 각 스트립(2621)은 알루미늄, 강, 탄소 섬유, 또는 복합 재료와 같은 구조적으로 강성인 재료로 주로 구성될 수 있으며, 고정구 부품(2602 및 2604)의 각 측면을 통해서 나사 결합되는 다수의 볼트(2623)를 통해 조일 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 스트립(2621)은 스트립(2621)의 내측에 장착된 고무 부착물과 같은 유연성 표면(2622)을 가질 수 있으며, 유연성 표면(2622)의 내부 표면은 구속 공간(2606)을 한정한다. 유연성 표면(2622)은 각 스트립(2621)에 적용된 힘(2610)을 구속 공간(2606) 내에 구속된 에너지 릴레이 재료들에 균일하게 분배하는 데 도움이 될 수 있다. 이 실시예에서, 힘(2610)이 볼트들(2623)의 조임을 통해 스트립(2621)에 가해질 때 고정구(2601)의 부품(2602 및 2604)을 함께 부착된 상태로 유지시키는 데 클램핑 볼트(2612)가 사용된다.
도 23e는 고정구(2601)의 횡단면에 따른 고정구(2601)의 단면도를 예시한다. 볼트들(2623)은 고정구를 통해 내부로부터 외측면으로 연장될 수 있고, 볼트들(2623)을 제자리에 고정하고 볼트의 반경 방향 위치를 조정할 수 있도록 나사 체결될 수 있다. 볼트들(2623)이 조정됨에 따라, 이동 가능한 스트립(2621)에 가해지는 힘(2610)이 증가 또는 감소함으로써, 구속 공간(2606) 및 이 구속 공간 안에 구속될 수 있는 도 23c의 재료(2608)과 같은 임의의 에너지 릴레이 재료에 가해지는 압축력(2610)이 조정될 수 있게 한다. 각각의 볼트(2623)가 서로 독립적으로 조정될 수 있기 때문에, 고정구(2601)는 그 고정구의 일 단부로부터 타 단부까지 종 방향과 횡 방향 양방으로의 압축력의 변화를 허용한다. 또한, 볼트들(2623)이 상이한 시간에 조정될 수 있고, 이는 압축력(2610)이 일시적으로도 조정될 수 있게 한다.
도 62 및 도 63은 본원에서 설명된 바와 같은 에너지 릴레이 재료를 융합 및/또는 이완시키는 것을 포함하는 에너지 릴레이 재료를 처리하는 공정의 실시예의 블록도를 예시한다. 도 62은 다수의 처리 단계들이 직렬로 수행되는 실시예를 예시하는 반면, 도 63은 다수의 처리 단계들이 병렬로(동시에) 수행되는 실시예를 예시한다.
도 62에 도시된 실시예에서, 단계 6002에서 에너지 릴레이 재료들의 배열이 제공된다. 그 다음, 단계 6004에서 에너지 릴레이 재료들의 배열에 압축이 가해진다. 그 다음, 단계 6006에서 에너지 릴레이 재료들의 배열에 열이 가해진다. 그 다음, 6008 단계에서 에너지 릴레이 재료에 냉각이 가해진 다음, 6010 단계에서 에너지 릴레이 재료들의 배열에 대해 화학 반응이 수행된다.
도 63에 도시된 실시예에서, 단계 6102에서 에너지 릴레이 재료들의 배열이 제공된다. 그 다음, 에너지 릴레이 재료들의 배열에 다수의 처리 단계들이 병렬로 수행되는데, 그 처리 단계들은, 단계 6104에서 에너지 릴레이 재료들에 압축을 가하는 단계, 단계 6016에서 에너지 릴레이 재료들에 열을 가하는 단계, 단계 6108에서 에너지 릴레이 재료들을 휴지 상태에 두는 단계, 및 단계 6110에서 에너지 릴레이 재료들에 화학 반응을 수행하는 단계를 포함한다.
도 62 및 도 63의 압축, 가열, 냉각, 및 반응 단계는 도 23d의 고정구(2601)와 같은 본원에 제시된 고정구들의 실시예들에 의해 용이해질 수 있고, 이는 다양한 처리 단계들이 그 재료들에 대해 수행되는 동안 그 처리되는 재료들이 구속되게 한다.
도 62 및 도 63에 예시된 위의 과정들은 본 개시내용에 설명된 처리 단계들의 가능한 순열들의 예시적인 실시예들일 뿐이다. 당업자는 본원에 설명된 처리 단계들을 수행하기 위한 그 밖의 다른 가능한 순서가 있음을 인식해야 한다. 또한, 처리 단계들의 직렬과 병렬 순서의 조합이 활용될 수 있다. 또한, 에너지 릴레이 재료들을 원하는 형태로 처리하기 위해 본원에 설명된 것 이외의 기타 처리 단계들도 사용될 수 있다.
도 62 및 도 63에 예시되며 본 개시내용의 다른 곳에서 설명된 처리 단계에서, 에너지 릴레이 재료들에 대한 화학 반응의 성능은 에너지 릴레이 재료들이 화학적으로 융합되게 할 수 있고, 촉매의 사용을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 에너지 릴레이 재료들에 가해진 열은 재료들이 충분히 이완되고 융합되도록 원하는 길이의 시간 동안 적절한 온도 또는 온도 범위에 도달하게 할 수 있고, 이는 열의 추가 또는 제거로 인한 구조적 응력의 변화를 포함하여 릴레이 재료의 재료 특성에 따라 결정된다. 일 실시예에서, 릴레이 재료에 적용되는 압축력은 공기 간극이 제거되고 컴포넌트 엔지니어링된 구조 재료들이 함께 융합되도록 하기 위해 상이한 온도에서 조정될 수 있다. 그 다음, 단계 2708에서, 이완되고 융합된 에너지 릴레이 재료들이 고정구로부터 제거된다.
도 24는 이완되고, 융합되고, 도 23b의 고정구(2602 및 2604)로부터 해제된 후의 정렬된 에너지 릴레이 재료들(2606)의 융합된 블록의 사시도를 예시한다. 재료들(2608)은 이제 더 이상 식별 가능한 개별 입자를 가지지 않고, 오히려 CES 재료의 집성된 입자들(AP)의 연속 배열을 갖는 에너지 릴레이 재료의 연속 블록이다. 그러나 이 예에서 융합 이전에 존재했던 비무작위 재료 분포는 여전히 보존되며, 재료의 횡 방향을 따라 정렬된 에너지 편재화를 유도할 것이다. 다른 실시예에서, 무작위 에너지 릴레이 재료들의 융합된 블록을 위와 동일한 방식으로 생성하는 것이 가능하다. 재료 변형의 위험이 줄어든 상태에서, 도 19b, 도 20, 및 도 22에 도시된 바와 같이, 블록(2606)의 가로 치수를 줄이기 위해, 블록(2608)은 이제 추가 가열 및 인발을 거칠 수 있다. 아래에 상세하게 설명되는 바와 같이, 도 21은 본원에 설명된 공정 및 원리에 따라 마이크로-스케일의 정렬된 에너지 릴레이 재료를 제조하기 위한 결합된 전체 공정의 블록도를 예시한다.
일 실시예에서, 약간의 재료 변형이 존재할 수 있다. 변형은 상기 가열, 인발, 고정, 또는 그 밖의 다른 개시된 단계들 또는 공정들 동안을 포함하여 본원에 설명된 임의의 공정 동안 발생할 수 있다. 원하지 않는 재료 변형을 방지하기 위해 주의를 기울일 수 있지만 재료는 여전히 의도하지 않은 변형을 겪을 수 있음을 당업자는 인식해야 한다. 이것은 각각의 특정 CES에 어느 정도의 고유성을 도입시킬 수는 있지만, 처리 중에 발생하는 CES 재료의 미세한 변형은, 본원에 개시된 실질적으로 비무작위인 패턴을 식별할 때 고려하지 않아야 하며, 상기 비무작위 패턴으로부터의 이탈을 나타내지 않는다는 것을 이해해야 한다.
본 개시내용에 따른 에너지 중계에 사용하기 위해 선택되는 재료의 유연성으로 인해, 굽힐 수 있거나 변형할 수 있는 유연성 또는 부분적으로 유연성인 재료를 사용하여, 재료의 구조 또는 에너지파 전파 특성을 손상시키지 않고, 에너지 릴레이 재료를 바람직하게 설계할 수 있다. 종래의 유리 광섬유를 사용하는 경우, 유리 봉이 생산 공정 전반에 걸쳐 거의 유연하지 않아서, 제조가 어렵고 비싸진다. 더 큰 유연성과 함께 더 견고한 재료를 활용함으로써 더 저렴하고 더 효율적인 제조 방법을 사용할 수 있다.
에너지 릴레이 미세 구조의 대규모 생산 방법
도 19a는 에너지 릴레이 재료를 형성하기 위한 시스템의 횡단면에서의 절단도를 예시하고 있다. 도 19a에, CES(2202, CES 2204, 또는 CES 2206) 중 하나를 포함하는 입자 패턴을 포함하는 에너지 릴레이의 모듈(2200)이 도시되어 있다. 도 22a에 예시된 바와 같이, 모듈(2200)은 특정 초기 크기를 가질 수 있는데, 이는 모듈(2200)을 한정하는 CES 입자들의 크기 및 입자들이 배열되는 특정한 패턴의 결과이다. 열을 가하고 모듈(2200)을 종 방향을 따라 인발함으로써, 앞에서 본 개시내용에서 논의된 바와 같이, 모듈(2200)을 한정하는 CES 재료들의 특정 패턴을 유지하면서 복합 모듈(2200)의 크기를 더 작은 직경으로 감소하는 것이 가능해진다. 도 22b에 도시된 결과적인 축소된 크기의 모듈(2208)은 모듈(2200)과 실질적으로 동일한 재료들의 패턴을 가질 수 있지만, 횡 방향에서는 실질적으로 더 작을 수 있으며, 이는 종 방향에서 모듈(2208)을 통해 효과적으로 전송될 수 있는 에너지의 에너지파 도메인을 효과적으로 변경시킬 수 있다. CES 재료들의 일반적인 분포는 축소된 크기의 모듈(2208) 내에 보존되었지만, 융합 공정은 CES 재료 영역의 형상에 약간의 국부적인 변화 또는 변형을 일으킬 것이다. 예를 들어, CES(2202)의 단일 봉은 CES 재료(2203)가 되었고, CES(2204) 및 이의 2개의 인접한 이웃은 대체로 동일한 형상을 갖는 융합 영역(2205)이 되었으며, CES(2206)의 단일 봉은 대략 육각형인 CES(2207)로 변형되었다.
도 19b는 에너지 릴레이 재료들의 패턴을 형성하기 위한 시스템의 횡단면에서의 절단도를 예시하고 있으며, 도 19a에 도시된 모듈(2200)의 융합된 버전을 나타내고 있다. 도 19a를 참조하여 설명된 원리는 도 19b에도 적용될 수 있다. 재료를 축소된 크기의 모듈(2208)로 당기기 전에 융합시킴으로써, 인발 공정의 결과로 부과되는 변동이 적을 수 있으며, 축소된 크기의 에너지 릴레이는 더 예측 가능한 재료 분포를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 융합 공정은 릴레이를 구성하는 하나 이상의 컴포넌트 엔지니어링된 구조체의 유리 전이 온도보다 낮은 온도까지 릴레이 재료를 가열하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 릴레이 재료는, 하나 이상의 컴포넌트 엔지니어링된 구조체의 유리 전이 온도에 가까운 온도, 또는 릴레이를 구성하는 컴포넌트 엔지니어링된 구조체의 평균 유리 전이 온도에 가까운 온도까지 가열된다. 일 실시예에서, 융합 공정은 릴레이 재료들을 함께 융합시키기 위해 화학 반응을 사용하는 것, 선택적으로는 촉매와 함께 사용하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 융합 공정은 컴포넌트 엔지니어링된 구조체들의 배열을 구속 공간 내에 배치하는 것과, 그 다음 열을 가하는 것을 포함할 수 있다. 구속된 공간은, 구속 공간(2606)을 한정하도록 구성된 도 23a 내지 도 23e에 도시된 것과 유사한 고정구에 의해 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 융합 공정은 컴포넌트 엔지니어링된 구조체들의 배열을 구속 공간 내에 배치하는 것과, 에너지 릴레이 재료들에 압축력을 가하는 것과, 그 다음 열을 가하는 것을 포함할 수 있다. 이는 컴포넌트 엔지니어링된 구조체가 이축 장력을 가진 중합체인 경우에 특히 유용하며, 이 경우에서 압축력은 재료들이 함께 융합되거나 어닐링될 때 뒤틀리거나 수축되는 것을 방지한다. 이러한 방식으로, 융합 단계는 또한 재료를 이완시키는 것도 포함하며, 이는 융합 및 이완 단계로 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 융합 및 이완 공정은 공정 파라미터들을 갖는 일련의 단계를 포함할 수 있으며, 각각의 단계는 선택적으로 다양한 레벨의 촉매와 함께 에너지 릴레이 재료들을 융합하기 위해 화학 반응을 사용하는 단계; 배열을 제한하고 원하는 힘 레벨로 압축력을 가하는 단계; 릴레이의 하나 이상의 컴포넌트 엔지니어링된 구조체들의 유리 전이 온도에 근접할 수 있는 원하는 온도 레벨로 열을 가하는 단계; 및 원하는 온도로 냉각을 가하는 단계를 포함한다. 그 다음, 융합되고 이완된 재료는 융합이 완료된 후 구속 공간에서 방출될 수 있다.
도 20은 도 19b에 도시된 공정(2300)의 연속을 예시한다. 에너지 릴레이의 다수의 축소된 크기의 모듈(2208)은 부분(2301)에 도시된 바와 같이 그룹으로 배열될 수 있다. 열을 가하고 모듈(2301)을 종 방향을 따라 인발함으로써, 앞에서 논의되고 도 19a 및 도 19b에 도시된 바와 같이, 모듈(2301)을 한정하는 CES 재료들의 특정 패턴을 유지하면서 복합 모듈(2301)의 크기를 더 작은 미세 구조 모듈(2302)로 테이퍼 형성하는 것이 가능해진다. 이 공정은 모듈(2302)을 사용하여 다시 반복되어 심지어 작은 미세 구조 모듈(2304)을 산출할 수 있다. 원하는 미세 구조 크기를 달성하기 위해 이 공정을 임의의 원하는 반복 횟수로 수행할 수 있다. 모듈(2301) 자체가 축소된 모듈(2208)로 구성되기 때문에, 모듈(2208)을 한정하는 CES 재료들의 원래 분포는 보존되었지만, 부분(2304)의 하위 부분의 확대부(2306)로 예시된 바와 같이, 2304도 부분(2301)과 동일한 패턴을 공유하는 방식으로 가로 치수가 훨씬 더 작게 만들어졌다. 외곽선(2308)은 축소된 크기 부분(2304)과 비교되는 부분(2301)의 원래 크기를 나타낸다. 이 공정은 더 큰 재료에서 시작된 원하는 가로 크기의 무작위 또는 비무작위 패턴 에너지 릴레이를 산출하기 위해 임의의 다수 회 반복될 수 있다. 예를 들어, 다수의 모듈(2304)이 2301의 유사한 그룹으로 배열될 수 있고, 공정이 반복될 수 있다. 이 시스템은 개별 CES 재료들을 미세 스케일에서 조작하지 않고도 미세 레벨의 분포 패턴을 형성할 수 있게 하며, 이는 에너지 릴레이의 제조가 대규모로 유지될 수 있음을 의미한다. 이는 전체 제조 공정을 단순화하여 제조 복잡성과 비용을 줄일 수 있다. 이러한 크기 감소 공정은 또한 CES 재료의 실제 가로 치수 및 패턴화에 대한 보다 정확한 제어를 제공할 수 있으며, 이는 릴레이를 특정의 원하는 에너지파 도메인에 맞게 맞춤 구성할 수 있게 한다.
도 21는 에너지 릴레이 재료를 형성하는 가열 및 인발 공정의 블록도를 예시한다. 단계 2402에서, CES 재료들이 먼저, 횡단면에서 무작위 또는 비무작위 패턴일 수 있는 원하는 형태로, 배열된다. 단계 2402의 실시예에서, 재료들이 추가로 구속 공간 안에 배열될 수 있다. 단계 2406에서, 에너지 릴레이 재료들이 구속 공간에서 함께 융합되며, 융합은 일련의 단계들일 수 있으며, 각 단계는 에너지 릴레이 재료들의 배열에 압축 응력을 가하는 것, 열을 가하는 것, 냉각을 적용하는 것, 또는 화학 반응을 사용하는 것, 가능하면 촉매와 함께 사용하는 것 중 하나를 포함할 수 있다. 단계 2408에서, CES 재료는 구속 공간에서 제거된다. 다음 단계 2410에서, 에너지 릴레이 재료들이 적절한 온도까지 가열되고, 이 온도는 일부 실시예에서는 하나 이상의 CES 재료들의 유리 전이 온도일 수 있다. 단계 2412에서, 재료들이 도 19b 및 도 20에 도시된 바와 같이 축소된 크기의 미세 구조 봉으로 당겨진다. 그 다음, 단계 2412에서 생성된 축소된 크기의 미세 구조 봉들이 단계 2414에서 도 20의 다발(2301)과 유사하게 원하는 무작위 또는 비무작위 패턴으로 다시 배열된다. 미세 구조 봉들의 배열은 다시 단계 2404로 돌아가서, 도 20에 도시된 미세 구조체(2304)와 유사하게, 2차 축소된 크기의 미세 구조 봉을 형성하기 위해 구속되고, 융합/이완되고, 가열되고, 당겨지고, 배열될 수 있다. 즉, 2414 단계에서 생성된 2차 미세 구조 봉들이 이들의 에너지 전송 도메인을 조정하기 위해 추가로 가열 및 인발을 거쳐야 하는 경우, 단계 2404는 2차 미세 구조 봉들을 사용하는 것으로 되돌아 갈 수 있으며, 그 다음의 단계는 n차 미세 구조 봉들을 포함하는 원하는 에너지 도메인에서 에너지를 중계하기 위한 원하는 크기 및 형태의 에너지 릴레이 재료를 생성하기 위해 원하는 횟수만큼 반복될 수 있다. 공정의 최종 단계 2416에서, 미세 구조 봉들의 최종 배열이 융합/이완되어 에너지 릴레이를 형성한다.
도 22는 감소된 가로 치수를 갖는 무작위 또는 비무작위 패턴 에너지 릴레이를 형성하기 위한 실시예를 예시하고 있으며, 도 21에 설명된 공정의 일부 단계들의 시각화를 나타내고 있다. 먼저, 구속되고, 융합/이완되고, 및 방출되는 모듈(2502)과 같은 재료의 분포가 제공된다. 그 다음, 모듈이 가열되고 당겨져서, 축소된 치수의 모듈(2504)이 형성된다. 원래 모듈(2502)과 축소된 치수의 모듈(2504) 사이에 보이는 불연속성은, 실제로 재료가 동일하지만 원래 모듈(2502)의 가로 치수가 모듈(2504)의 가로 치수로 축소되게 되는 전술한 공정의 미술적 표현이다. 충분한 수의 축소된 치수의 모듈들(2504)이 생성되면, 그 모듈들은 2508에 표시된 새로운 무작위 또는 비무작위 분포로 재조립될 수 있다. 이 새로운 패턴(2508)은 복수의 축소된 크기 모듈(2504)을 포함하며, 이는 2506에 도시된 축소된 치수 모듈이 생성되도록 하기 위해 구속되고, 융합/이완되고, 방출되고, 가열되고, 당겨지는 유사한 공정을 거칠 수 있다. 비무작위 패턴(2508)과 축소된 치수의 모듈(2506) 사이에 보이는 불연속성은, 실제로 재료가 동일하지만 원래 모듈(2508)의 가로 치수가 모듈(2506)의 가로 치수로 축소되게 되는 전술한 공정의 미술적 표현이다. 이 공정은 에너지를 중계하기 위한 에너지 릴레이 재료 채널들의 바람직한 밀도를 포함하는 바람직한 크기의 에너지 릴레이를 생성하기 위해 원하는 만큼의 많은 횟수로 반복될 수 있다.
에너지 릴레이 재료는, 본 개시내용에서 상세하게 논의된 바와 같이, 종단면에서의 에너지 전송 효율이 상기 종단면에 수직인 횡단면에서보다 실질적으로 더 높은 에너지 릴레이 재료의 종단면을 따라 에너지를 전송하도록 구성될 수 있다. 이러한 에너지 릴레이 재료는 다양한 초기 크기, 모양, 또는 형태를 가질 수 있다. 이러한 에너지 릴레이 재료를 본 개시내용의 에너지 지향 시스템과 같은 광학 시스템에 적응시키기 위해, 에너지 릴레이 재료의 크기, 모양, 또는 형태가 수정될 수 있다. 에너지 릴레이 재료의 치수를 변형시키기 위한 본 개시내용의 실시예들은 횡단면에서 초기 치수를 갖는 에너지 릴레이 재료를 제공하는 단계; 에너지 릴레이 재료를 구속 공간 내에 수용하는 단계; 구속 공간의 적어도 일부에 에너지 릴레이 재료를 정합시키는 단계; 및 구속 공간에서 정합된 에너지 릴레이 재료를 제거하는 단계를 포함한다. 구속 공간은 정합된 에너지 릴레이 재료의 적어도 일부가, 에너지 릴레이 재료의 종단면을 따라, 감소된 가로 치수를 갖게 하는 형상을 포함할 수 있다. 아래의 실시예들은 에너지 릴레이 재료의 치수를 수정함으로써 에너지 릴레이 재료의 크기, 모양, 또는 형태를 수정하는 다양한 예시적인 방법 및 장치를 제공한다.
에너지 릴레이 어레이들을 제조하는 트레이 방법
도 43은 한 어레이의 개별 테이퍼형 에너지 릴레이 요소들을 제조하는 방법(8900)을 예시한다. 도 43에서, 개별 테이퍼형 릴레이 요소(8902, 8904, 8906)는 개별적으로 테이퍼형으로 형성되고, 정밀하게 절단되고, 연마되고, 광택 연마된 다음(이 단계들은 도시되지 않음), 도시된 형태로 배열된다. 각각의 개별 테이퍼형 릴레이에 대한 테이퍼 형성 단계에는 릴레이 재료 블록을 가열하고, 늘이고, 냉각하는 것과, 이와 동시에 정확한 배율을 달성하기 위해 재료의 치수를 정밀하게 제어하는 것을 포함할 수 있다. 접착제(8908)가 각 릴레이 요소 사이에 적용되어, 8912에 도시된 바와 같이 함께 접합된다. 그러나, 방법(8900)은 요소(8902, 8904, 8906)의 경계부 주변인 8912에서 간극 또는 왜곡을 초래할 수 있다. 또한, 방법(8900)을 통해 도입된 많은 추가적인 제조상의 위험, 예컨대 접합 공정 중 개별 릴레이 요소들 간의 오정렬, 열 또는 응력 하에서의 재료 변형으로 인한 접합 장애 등이 있다.
도 44는 재료의 단일 초기 블록(9002)으로부터 한 어레이의 테이퍼형 에너지 릴레이 요소들을 제조하기 위한 처리 단계 9000의 개략적인 시연을 예시하고 있다. 블록(9002)은, 예컨대 앤더슨 편재 에너지 릴레이 재료, 또는 정렬된 에너지 편재 릴레이 재료, 또는 중합체, 유리, 또는 에너지 릴레이에 적합한 기타 구조체를 포함하는 임의의 다른 유형의 릴레이 재료와 같은, 에너지 릴레이 재료를 포함할 수 있다. 에너지 릴레이 재료는 본원에 개시된 공정을 통해 제공될 수 있다. 처리 단계 9000을 사용하는 것을 통해, 블록(9002)이 확대 또는 축소된(또는 여기에 개시된 다른 구성) 형태로 직접 형성될 수 있고, 모자이크/릴레이 형태 내에서, 각 릴레이를 개별적으로 제작할 필요 없이 완성될 수 있다.
도 44에서, 블록(9002)은 최종 모자이크의 대략적인 모양으로 절단되어서, 재료 특성에 기초할 수 있으며 실시예에서는 재료의 유리 전이점에 가까워질 수 있는 열(9004)이 적용되어 원하는 온도까지 가열될 수 있다. 금형(9006)은 형성된 에너지 릴레이 어레이 형상의 한 단부의 역형상을 포함할 수 있는 구속 공간의 형상을 한정한다. 일 실시예에서, 역형상은 역 축소 또는 확대 단부, 형성된 한 어레이의 테이퍼형 에너지 릴레이들의 테이퍼형 단부 측면, 또는 임의의 다른 원하는 금형 형상일 수 있다. 도 44의 실시예에서, 금형(9006)은 적어도 하나의 역형상 릴레이 요소 격실을 갖는 역 테이퍼형 형상을 포함하고, 상기 적어도 하나의 격실은 제1 단면적을 갖는 좁은 단부(9003)를 포함하는 적어도 하나의 격실, 제1 단면적보다 큰 제2 단면적을 갖는 넓은 단부(9005), 및 좁은 단부(9003)를 넓은 단부(9005)에 연결하는 경사 벽(9007)을 포함한다. 일 실시예에서, 격실은 좁은 단부와 넓은 단부의 에지들을 연결하는 두 쌍의 대향 경사 벽을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 좁고 단부와 넓은 단부는 형상이 직사각형일 수 있다. 도 44에 도시된 금형(9006)은 원하는 금형 형상을 포함하는 복수의 격실(9009)을 포함한다. 다른 실시예에서, 금형은 단지 하나의 격실(9009)을 포함할 수 있다.
블록(9002)을 격실(9009)에 의해 한정된 구속 공간에 정합시키기 위해, 블록(9002)과 금형(9006)은, 에너지 릴레이 재료의 적어도 횡단면의 교정이 이루어지도록 하기 위해 블록(9002)의 에너지 릴레이 재료가 종 방향 및 횡단면 모두에서 성형성을 갖도록 소정의 온도로 가열될 수 있다. 열을 가하는 것은 하나 이상의 스테이지에서 수행될 수 있으며, 여기서 각 스테이지는 스테이지 온도 및 스테이지 지속 기간을 포함한다. 열을 여러 스테이지에서 가하는 것은 재료들의 부분들이 여러 스테이지에서 형성될 수 있게 한다. 일 실시예에서, 금형(9006)은 블록(9002)을 포함하는 재료의 융점을 실질적으로 초과하는 융점을 갖는 재료를 포함한다. 일 실시예에서, 금형(9006)은 금속 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 금형(9006)은 높은 열 용량을 갖거나 열을 잘 보유할 재료를 포함할 수 있다. 방법(9000)에서, 금형(9006)은 블록(9002)의 전이점 또는 융점과 일치하도록 9008에서 열을 가한 상태에서 원하는 온도에 이르게 된다.
일 실시예에서, 추가 가열 요소들(도시되지 않음)이 금형(9006)을 포함하는 재료에 통합될 수 있고, 금형(9006) 및 에너지 릴레이 재료(9002)에 열을 가하는 단계를 수행하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 금형(9006)의 에지 부분에 대한 특성은 금형(9006)의 본체와 다를 수 있고, 따라서 금형(9006)은 에지 영역에서의 블록(9002)에 대한 더 높거나 더 낮은 레벨의 열/압력 처리를 편재화시키면서 다른 영역은 실질적으로 방해받지 않게 남겨 둘 수 있는 능력을 제공한다.
도 45은 처리 단계 9100의 개략적인 시연을 예시하며, 여기서 도 44에서 이전에 설명된 원하는 온도로 가열된 블록(9002)은 금형(9006)과 상호 작용하게 된다. 일 실시예에서, 처리 단계는 에너지 릴레이 재료(9002)의 적어도 일부를 형성된 테이퍼형 에너지 릴레이 어레이의 형상에 실질적으로 정합시키기 위해 에너지 릴레이 재료(9002)와 금형(9006) 중 적어도 하나에 힘을 가하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 힘은 금형(9006)에만 가해질 수 있고, 다른 실시예에서, 힘은 에너지 릴레이 재료(9002)에만 가해질 수 있고, 또 다른 실시 예에서, 힘은 금형(9006)과 에너지 릴레이 재료(9002) 모두에 가해질 수 있다. 도 45에 예시된 실시예에서, 힘은 화살표(9101)로 표시된 일반적인 방향으로 가해질 수 있으며, 이는 중력 하에서 블록(9002)의 무게에 의해 생성될 수 있거나, 외부 소스(도시되지 않음)로부터 가해질 수 있다. 단계 9100은 원하는 길이의 시간 동안 수행될 수 있고, 스테이지 힘 및 스테이지 지속 기간을 포함하는 일련의 스테이지로서 추가로 수행될 수 있다. 처리 단계 9100의 기간 동안, 블록(9002) 및 금형(9006)의 온도는 원하는 온도로 유지될 수 있거나, 선택된 재료 유형 여하에 따라 원하는 대로 시간에 따라 변할 수 있다. 일 실시예에서, 단계 9100은 감소된 대기압 하에서 또는 진공에서 수행될 수 있다. 블록(9002)이 금형(9006)와 상호 작용하는 속도는 또한 느리게 수행될 수 있으므로, 릴레이 요소들이 원하지 않는 왜곡을 도입함이 없이 형성되기 시작한다. 더욱이, 상호 작용하는 속도에 대한 제어는 재료의 불균일한 분포로 인한 왜곡의 발생, 또는 방법(9000)에 있어서의 공정 변동으로 인한 불균일한 블록(9002) 치수로부터의 왜곡 발생을 제한하는 데 도움이 될 수 있다. 재료의 임의의 왜곡은 시간, 온도, 압력, 힘, 또는 당업자에게 알려진 임의의 다른 제조 파라미터의 신중한 제어를 통해 부분적으로 또는 실질적으로 완화될 수 있다.
도 46은 한 어레이의 에너지 릴레이 요소들을 제조하는 방법에 있어서의 추가 단계 9200을 예시한다. 도 46에서, 블록(9002)이 이전 단계에서의 적절한 처리가 완료된 후 냉각되면, 블록(9002)은 금형(9006)과의 접촉면(interface)으로부터 제거될 수 있다. 일 실시예에서, 블록(9002) 재료의 특성과 비교되는 금형(9006) 재료의 특성으로 인해, 블록(9002)은 금형(9006)으로부터 깨끗하게 들어올릴 수 있으며, 상기 접촉면을 따르는 표면(9204)은 광택 연마 표면과 동등하다. 금형(9006)의 마무리 또는 광택 연마는 표면(9204)을 따라 실현되는 광택 연마 레벨이 생성되도록 원하는 대로 제어될 수 있다. 원하는 경우 블록(9001)의 임의의 표면에 대한 추가 광택 연마 또는 마무리가 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 단계 9200을 개선하기 위해 금형 이형 윤활제가 활용될 수 있으며, 이 금형 이형 윤활제는 실시예에서는 금형(9006)과 에너지 릴레이 재료(9002)의 분리를 촉진하기 위해 금형(9006)의 에지들 또는 표면들에 도포될 수 있다.
도 46에 도시된 성형된 블록(9002)을 살펴보면, 이 시스템 및 방법은, 테이퍼형 부분들 사이에 잔여 이음매가 없고 전체 어레이가 개별적이 아니라 동시에 제조될 수 있다는 사실에 적어도 부분적으로 기인해서, 에너지 릴레이 어레이를 제조하는 다른 방법들에 비해 개선을 나타낼 수 있음을 유의해야 한다. 금형(9006)과 재료(9002) 사이의 접촉면의 반대편의 금형의 부분은 정합시키는 공정(9000)에 의해 영향을 받지 않을 수 있다.
더욱이, 전술한 방법을 사용하여 생성된 에너지 릴레이 테이퍼들의 결과적인 어레이들은 서로 인접하여 추가로 결합될 수 있고, 추가로 용접되거나 다른 방식으로 결합되어 더 큰 어레이들의 테이퍼형 릴레이를 형성할 수 있다.
에너지 릴레이를 제조하는 성형 방법
일 실시예에서, 릴레이 재료의 블록과 금형 사이에 압력을 가하는 대신에, 테이퍼형 릴레이를 형성하는 대안적인 방법은 릴레이 재료의 제1 측면을 고정하거나 기계적으로 구속하는 단계와, 릴레이 재료가 몰드 안으로 "이완"되도록 열 또는 압력을 가하여, 실시예에서는 상기 제1 측면으로부터 제2 측면으로 전이되는 경사 프로파일 부분을 포함할 수 있는 원하는 릴레이 기하학적 형태를 생성하는 단계를 포함한다. 방법(9300)에서 사용되는 에너지 릴레이 재료는 본원에 개시된 방법들 또는 공정들 중 임의의 것에 의해 제공될 수 있다. 도 47는 열을 가하면 수축되는 릴레이 재료(9303)로부터 테이퍼형 릴레이(9307)를 형성하는 방법(9300)을 도시하는 것으로, 상기 릴레이 재료는 이 예에서는 테이퍼형 에너지 릴레이(9307)의 형상인 원하는 테이퍼형 에너지 릴레이 형상의 역형상을 갖는 금형(9301) 내에 배치된다. 일 실시예에서, 금형(9301)은 는 정합된 에너지 릴레이 재료의 적어도 일부가 감소된 가로 치수를 갖게 하는 형상을 갖는 구속 공간을 한정할 수 있다. 일 실시예에서, 금형(9301)은 금형의 작은 단부(9304)로부터 감소된 가로 치수를 갖는 형상을 제공하는 큰 단부(9310)까지 연장되는 성형부를 포함할 수 있다. 금형(9301)은 광택 연마된 내부 표면을 포함할 수 있으므로, 테이퍼(9307)는 일단 성형이 완료되면 금형과 동일한 표면 품질을 가질 것이다. 공정 시작 시의 에너지 릴레이(9303)의 단면적은 금형의 작은 단부(9304)의 면적과 거의 동일한 치수를 가지므로, 에너지 릴레이 재료(9303)는 금형의 작은 단부(9304) 안에 삽착된다. 일 실시 예에서, 에너지 릴레이 재료(9303)의 단부 부분(9308)은 금형(9301)의 성형부의 감소된 가로 치수 단부(9304)에 수용될 수 있다. 릴레이 재료(9308)의 단부 부분은 체결력(9305), 기계적 압력, 또는 결합제/접착제(9306)로 금형(9301)의 감소된 가로 치수 단부(9304)에 고정될 수 있다. 일 실시예에서, 체결력(9305)이 금형(9301)의 감소된 가로 치수 단부(9304)에 적용되어 에너지 릴레이 재료(9303)의 감소된 가로 치수 단부(9304)와 단부 부분(9308) 사이에 억지 끼워 맞춤을 이루어낼 수 있다. 일 실시예에서, 체결력(9305)은 상이한 시간에 조정되거나, 또는 에너지 릴레이 재료(9303)가 상이한 온도로 가열되는 시점에서 조정될 수 있다. 금형은 도 47에 도시된 금형(9006)에 비해 높은 측벽들(9302)을 갖게 만들어질 수 있고, 이에 따라 높은 측면들은 재료가 수축함에 따라 재료를 최종 테이퍼형 형상(9307)으로 구속하고 안내할 수 있다. 실시예에서는 열이 가해지면 릴레이 재료(9303)가 이완되는 경향을 보이는 방향으로 중력 가속도가 영향을 미칠 수 있기 때문에, 금형(9301)의 절대 배향을 고려해야 한다. 따라서, 일 실시예에서, 금형(9301)은 작은 단부(9304)를 선두에 두고서, 중력 가속도의 벡터를 따라 에너지 릴레이 재료(9303)에 대해 종 방향으로 배향되어야 하며, 이에 따라 에너지 릴레이 재료(9303)가 이완되면 이완된 재료가 역 테이퍼 형상(9307)으로 유도되는 것을 보장한다. 대안적인 실시예에서, 금형(9301)은 이완된 릴레이 재료(9303)를 역 릴레이 형상(9307)으로 유도하기 위해 원심 분리기에 의해 생성되는 것과 같은 원심력 하에 놓일 수 있다. 따라서, 이러한 실시예에서, 금형(9301)은 작은 단부(9304)를 선두에 두고서, 원심 분리기에 의해 생성된 가속 벡터를 따라 배향되어야 한다. 일 실시예에서, 구속된 재료에서의 이축 장력의 완화는 다른 외부 힘에 관계없이 재료를 금형에 정합시키기에 충분한 수축력을 생성할 수 있다. 릴레이 재료(9303)의 한 단부가 고정되면, 에너지 릴레이 재료(9303)의 온도를 높이기 위해 열을 가하여서, 에너지 릴레이 재료(9303)가, 에너지 릴레이 재료(9303)의 적어도 가로 치수를 정합시킬 수 있게 하는 재료의 적어도 종 방향 평면 또는 횡단면에서의 성형성을 갖도록 할 수 있다. 열을 가하면 재료가 금형(9301) 안으로 수축하여, 에너지 릴레이 재료(9303)의 적어도 일부가 금형(9301)의 형상과 정합된다. 일 실시예에서, 이축 정렬을 갖는 중합체 릴레이 재료(9303)는 금형(9301)의 작은 측면(9304)에서 구속되고, 이것이 가열됨에 따라 재료 내의 이축 장력이 해제되어 재료를 구속된 측면 쪽으로 "이완" 또는 "슬럼프"되게 한다.
다른 실시예에서, 이축 인장 중합체 릴레이 재료(9303)가 좁은 단부(9304)와 큰 단부(9310)로 점차 테이퍼형이 되는 금형(9301)의 좁은 단부(9304)에서 구속되고, 금형(9301)의 큰 단부(9310) 근처의 재료(9303)의 부분은 그 중합체(9303)가 가열됨에 따라 좁은 단부(9304)를 향해 수축하고, 결국에는 금형(9301)의 내부 치수와 일치하는 치수를 갖는 테이퍼형 릴레이(9307)가 된다.
다른 실시예에서, 열을 가하는 처리 단계는 또한 도 48에 도시된 바와 같이 플런저(9405)로 압력을 가하는 것을 포함할 수 있다. 이 테이퍼(9307)는 테이퍼 형성 공정(9300) 전의 릴레이 재료와 실질적으로 동일한 방식으로 에너지를 중계하지만, 에너지가 테이퍼(9307)의 좁은 단부에서 큰 단부로 중계됨에 따라 추가적인 공간적 확대를 하여 에너지를 중계한다.
다른 실시예에서, 열과 압력은 둘 다 릴레이 재료의 블록으로부터 테이퍼형 릴레이를 형성하는 데 사용된다. 도 48은 금형(9401)을 사용하고 열(9407)과 압력(9406) 모두를 가하여 릴레이 재료(9403)로부터 테이퍼형 릴레이를 형성하는 방법(9400)을 도시한다. 열(9407)과 압력(9406)은 동시에 또는 상이한 시간에 적용될 수 있고, 상이한 각각의 스테이지 온도 또는 스테이지 압력과 각각의 스테이지 지속 기간을 갖는 다수의 스테이지를 추가로 포함할 수 있다. 공정 시작 시의 에너지 릴레이(9403)의 단면적은 금형(9401)의 작은 단부(9404)의 면적과 거의 동일한 치수를 가지므로, 에너지 릴레이(9403)는 금형(9401)의 작은 단부(9404) 안에 삽착된다. 금형은 광택 연마된 표면과, 원하는 테이퍼형 릴레이 형상의 역 치수를 포함한다. 광택 연마된 표면을 가진 플런저(9405)는 열(9407)이 금형(9401)에 가해지고 릴레이 재료(9403)에 직접 또는 간접적으로 가해질 때 재료를 힘(9406)으로 금형 안으로 밀어내어 균일하게 분배하는 데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 힘(9406)은 상이한 시간에 조정되거나, 또는 에너지 릴레이 재료(9403)가 상이한 온도로 가열되는 시점에서 조정될 수 있다. 일 실시예에서, 힘(9406)은 재료(9303)의 단부 부분(9308)에 대응하는 단부 부분에 대향하는 에너지 릴레이 재료(9403)의 표면에 가해진다. 가열하는 단계와 정합시키는 단계가 동시에 수행되거나, 일련의 단계로 수행될 수 있다. 재료(9403)가 금형(9401) 안에 수용되어 있는 동안 일련의 처리 단계가 적용될 수 있으며, 각 처리 단계는 열을 가하는 단계, 열을 제거하는 단계, 압력을 높이는 단계, 압력을 감소시키는 단계, 또는 화학 반응 또는 촉매를 사용하는 단계 중 하나로 구성되고, 이러한 애플리케이션의 예들이 도 62 및 도 63에 예시된다. 일 실시예에서, 에너지 릴레이 재료(9303)가 테이퍼형 릴레이 형상(9307)에 정합된 후, 정합된 재료(9303)를 냉각시키고 정합된 테이퍼(9307)를 금형(9301)으로부터 분리시키는 것을 돕기 위해 에너지 릴레이 재료(9303)와 금형(9301)에 냉각이 적용될 수 있다. 처리 단계 종료 시, 에너지 릴레이(9403)는 테이퍼(9408)의 최종 형상에 정합되었다. 테이퍼(9408)는 릴레이 재료(9403)와 동일한 방식으로 에너지를 중계하지만, 에너지가 작은 단부에서 큰 단부로 전송됨에 따라 공간적 확대를 하여 중계한다.
일 실시예에서, 테이퍼형 에너지 릴레이 재료(9307)는 재료의 횡단면에서 대향하는 제1 및 제2 표면을 포함하고, 상기 제1 표면과 상기 제2 표면은 상이한 표면적을 가지며, 에너지 전송은 상기 제1 및 제2 표면을 통해 연장되는 복수의 에너지 전달 경로를 따라 수용된다. 일 실시예에서, 테이퍼형 릴레이(9307)를 통해 중계된 에너지는 이를 통해 중계됨에 따라 공간적으로 축소되거나 확대될 수 있다.
도 47에 도시된 9301 및 도 48에 도시된 9401과 유사한 한 어레이의 고정구들이 한 어레이의 테이퍼형 에너지 릴레이들을 생성하는 데 사용될 수 있다. 도 49는 한 어레이의 테이퍼형 에너지 릴레이들을 형성하는 방법(9500)을 도시하는 것으로, 여기서는 도 49에 도시된 9401과 유사한 복수의 금형으로서, 당해 복수의 금형의 작은 단부에서 넓은 단부까지 연장되는 복수의 성형부를 갖는 복수의 금형이 제공되고, 열(9507)을 가하는 단계 및 힘(9506)으로 압력을 가하는 단계를 포함하는 일련의 처리 단계 후에 복수의 테이퍼(9511, 9512, 9513)가 형성된다. 방법(9500)에서, 금형(9501)은 테이퍼형 에너지 릴레이의 다수의 역형상을 포함하고, 금형들(9501)의 어레이의 각각의 개별 테이퍼형 에너지 릴레이 형상은 각 성형부의 상부(넓은) 부분에서 제거 가능한 배플 벽(9502)에 의해 분리된다. 금형들(9501)의 어레이는 광택 연마된 내부 표면을 갖는다. 일 실시예에서, 에너지 릴레이 재료에 힘(9506)을 가하여 테이퍼형 형상으로 형성하는 데 개별 플런저들(9505)이 사용된다. 다른 실시예에서, 이축 인장 릴레이 재료와 같은, 가열 시 수축되는 릴레이 재료에도 도 47에 도시된 금형들(9301)이 플런저는 필요 없이 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 가열될 때 수축되는 릴레이 재료와 함께 플런저들이 사용된다.
도 50은 방법(9500)의 추가 단계를 예시하는 것으로, 여기서 금형들(9501)의 어레이는 배플 간극들(9522)을 남기면서 제거되는 배플 벽들(9502)을 갖는다. 테이퍼들의 모든 큰 단부들의 결합된 표면을 덮는 대면적 플런저(9525)가 테이퍼들의 상단에 배치되고, 어레이 주변부를 둘러싸는 구속 링(restraining ring)(9520)의 적용에 의해 제공되는 구속된 주변부가 추가되어, 금형(9501)의 상부(넓은) 부분에 적용되는 힘(9521)으로 고정된다. 일련의 처리 단계가 적용되며, 여기서 각 단계는 압력(9526)을 가하는 단계, 열(9527)을 가하는 단계, 압력(9526) 제거하는 단계, 열(9527)을 제거하는 단계, 또는 화학 반응을 가능하기로는 촉매(도시되지 않음)와 함께 사용하는 단계 중 하나로 구성된다. 일 실시예에서, 에너지 릴레이 재료(9511)의 온도를 높이기 위해 열을 가하여서, 에너지 릴레이 재료(9511)가, 에너지 릴레이 재료(9511)의 적어도 가로 치수를 정합시킬 수 있게 하는 재료의 적어도 종 방향 평면 또는 횡단면에서의 성형성을 갖도록 할 수 있다. 일 실시예에서, 플런저(9525)는 에너지 릴레이 재료(9511)의 종단면에 대해 수직으로 금형(9501)에 걸쳐 연장되어, 횡단면에 수직인 에너지 릴레이 재료(9511)의 종단면을 따라 배향된 에너지 릴레이 재료(9511)의 상부 부분에 압력(9526)을 가한다.
도 51는 방법(9500)의 추가 단계를 도시하는 것으로, 여기서 릴레이 재료들(9511 및 9512)은 상기 처리 단계들(9526, 9527)의 결과로 가상 경계(9532)에서 이전의 배플 간극(9522) 부근에서 함께 융합된다. 이제 융합된 테이퍼형 에너지 릴레이 어레이(9533)가 금형들(9501)의 배열부로부터 제거될 수 있다.
테이퍼형 에너지 릴레이를 제조하는 쐐기 방법
테이퍼형 릴레이는 또한 하나 이상의 치수로 압축하는 기술을 사용하여 릴레이로부터 형성될 수 있다. 도 52a 내지 도 54b는 에너지 릴레이 재료의 치수를 수정하기 위한 공정(9600)의 실시예의 개략적인 시연을 도시한다. 일 실시예에서, 원하는 테이퍼 경사 프로파일을 포함하는 쐐기에 가해지는 힘이 2개의 테이퍼 릴레이를 생성하기 위해 릴레이 재료를 가열과 동시에 하나 이상의 치수로 압축하는 데 사용될 수 있다. 도 52a는 고정구(9601)의 XY 평면의 단면도를 예시하고, 도 52b는 고정구(9601)의 XY 평면에 수직인 XZ 평면의 단면도를 예시한다. 일 실시예에서, 고정구(9601)는 그 안에 구속 공간을 한정하도록 구성된다. 도 52a 및 도 52b에서, 릴레이 재료(9611)는 고정구(9601)에 의해 한정된 구속 공간 내에 배치되고, 상기 구속 공간은, 실시예에서는, 제1 및 제2 단부(9623)와, 이 단부들 사이에서 종 방향(X)을 따라 연장되는 중간부를 포함할 수 있고, 여기서 고정구(9601)의 상기 중간부는 그를 관통해서 한정된 적어도 하나의 개구(9612, 9613, 9614, 또는 9615)를 포함한다. 일 실시예에서, 고정구(9601)의 중간부는 한 쌍의 대향 개구(9612/9613 또는 9614/9615)를 포함한다. 다른 실시예에서, 고정구(9601)의 중간부는 2쌍의 대향 개구, 즉 제1 쌍의 대향 개구(9612 및 9613)와 제2 쌍의 대향 개구(9614 및 9615)를 포함한다. 일 실시예에서, 작동 시, 상기 적어도 하나의 개구(9612, 9613, 9614, 또는 9615)를 적어도 부분적으로 관통해서 적어도 하나의 쐐기(9603)를 부과함으로써 그 쐐기(9603)가 고정구(9601)와 협력하여 에너지 릴레이 재료(9611)의 일부를 예시된 바와 같이 감소된 가로 치수에 정합되게 하도록, 릴레이 재료(9611)가 고정구(9601)에 의해 한정된 구속 공간에 정합될 수 있다. 일 실시예에서, 쐐기 쌍(9602 및 9603)은 정합된 에너지 릴레이 형상의 역형상의 일부를 포함할 수 있고, 각각의 개구를 관통해서 부과될 때에 에너지 릴레이 재료(9611)를 정합된 에너지 릴레이 형상에 정합시킬 수 있다. 일 실시예에서, 정합된 에너지 릴레이 형상은 제1 단면적을 갖는 좁은 단부, 그리고 제1 단면적보다 큰 제2 단면적을 갖는 넓은 단부, 이뿐만 아니라, 상기 넓은 단부 및 좁은 단부의 에지들을 연결하는 경사 벽들을 포함할 수 있다. 4개의 쐐기 및 4개의 개구를 이용하는 일 실시예에서, 각각의 쐐기는 정합된 에너지 릴레이 형상의 4개의 측면 중 하나의 역형상을 포함한다.
일 실시예에서, 열(9607)이 가해질 때, 힘(9606)이 한 쌍의 테이퍼형 쐐기(9202)에 하나의 차원(Y)으로 가해져서 그 쐐기들이 개구(9614 및 9615)를 관통하게 하고, 아울러 유사한 힘(9606)이 한 쌍의 테이퍼형 쐐기(9603)에도 직교 차원(Z)으로 가해져서 그 쐐기들이 개구(9612 및 9613)을 관통하게 한다. 가해지는 열(9607)은 릴레이 재료(9611)가 특정 온도에 도달하도록 구성되고, 이에 의하면 릴레이 재료(9611)의 치수가 변경될 수 있도록 쐐기(9602 및 9603)의 쌍들이 그 각각의 개구를 통해 부과됨에 따라 그 쐐기의 쌍이 수용되도록, 재료(9611)가 종 방향(X) 및 횡 방향(Z, Y)에서의 원하는 성형성을 갖게 된다. 일 실시예에서, 열(9607)은 릴레이 재료(9611)를 실질적으로 릴레이 재료(9611)의 유리 전이 온도까지 가열하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 일련의 처리 단계들이 적용되며, 여기서 각 처리 단계는 열(9607)을 가하는 단계, 힘(9606)을 증가시킴으로써 압력을 가하는 단계, 열(9607)을 제거하는 단계, 힘(9606)을 감소시킴으로써 압력을 제거하는 단계, 및 촉매를 사용하거나 사용하지 않고 화학 반응을 사용하는 단계 중 하나로 구성된다.
도 53a 및 도 53b는 공정(9600)의 중간 지점을 예시하며, 각각 중간 지점에서의 XY 평면의 평면도 및 XZ 평면의 측면도를 도시하고 있다. 도 51a 및 도 51b에서, 한 쌍의 쐐기(9602 및 9603)가 각각의 개구(9614, 9615, 9613, 9612)를 통해 계속 부과되고, 이와 동시에 릴레이 재료(9611)가 당해 릴레이 재료(9611)의 종 방향(X) 및 횡 방향(Z, Y)에서의 원하는 성형성을 갖도록 하는 온도로 릴레이 재료(9611)를 유지시키기 위해 열(9607)이 가해진다.
도 54a 및 도 54b는 두 쌍의 쐐기(9602 및 9603)가 릴레이 재료(9611) 안으로 가압되어, 그 릴레이 재료를 압축하고 가능하면 종 방향(X)으로 연신시키는 공정(9600)의 끝을 도시한다. 도 55은, 모든 처리 단계가 완료된 후의, 도 56a 및 도 56b에 도시된 테이퍼형 릴레이(9611)의 가상 선(9622)을 따른 절편의 단부도를 도시하고 있으며, 테이퍼형 쐐기 쌍(9602 및 9603)에 가해진 압력으로 인해 릴레이 재료(9611)가 횡 방향(Y 및 Z)으로 감소된 것을 보여주고 있다. 일 실시예에서, 릴레이 재료 확장을 위해 여분의 공간(9621)이 제공된다. 다른 실시예에서, 여분의 공간(9621)은 없고, 릴레이 재료(9611)는 고정구(9601)의 내부 치수와 동일한 크기이다. 테이퍼형 릴레이(9611)의 제1 측면(9624)과 제2 측면(9625)은 도 57a 및 도 57b에 도시된 가상의 절단선(9622)을 따라 릴레이를 절단함으로써 모든 처리 단계가 완료된 후에 분리될 수 있다. 결과적인 테이퍼들은 테이퍼의 좁은 단부와 테이퍼의 큰 단부 사이에, 사용된 테이퍼형 쐐기와 동일한 형상을 가진 경사부를 포함한다.
도 56a 내지 도 60b는 압축이 동시에 발생하는 것이 아니라 각 직교 차원(Y, Z)에 대해 개별적으로 두 단계로 발생하는 것을 제외하고는 도 52a 내지 도 54b에 도시된 공정(9600)과 유사한 공정(9700)을 예시한다. 도 56a에서, 테이퍼형 쐐기 쌍(9602)은 측면도에서 볼 수 있듯이 릴레이(9611)의 대향 측면에 위치되고, 도면의 Y축을 따라 배향되며, 평면도에서 볼 수 있듯이 Z축을 따라서는 테이퍼형 쐐기 쌍이 사용되지 않고, 릴레이 재료(9611)는 고정구(9601)에 의해 구속된다.
도 57a 및 도 57b에서, 열(9607)을 가하는 것에 추가하여 한 쌍의 Y-배향 테이퍼형 쐐기(9602)에 힘(9606)이 가해져서 릴레이 재료(9611)가 이완 및 압축된다.
도 58a에서, 한 쌍의 Y-배향 테이퍼형 쐐기들(9602)이 움직이지 못하도록 브레이스(9701)가 적용되어 있고, 제거 가능한 패널(9702)은 XZ 평면도를 예시하는 도 58b에 도시된 바와 같이 제거된다. 도 59b에서, Z-배향 테이퍼형 쐐기들(9603)이 각각의 결과적인 개구(9703) 앞에 위치되고 그 쐐기들(9603)의 쌍에 힘(9606)이 가해져서, 그 쐐기들이 개구(9703)를 관통하게 하여 릴레이 재료(9611)의 부분을 정합시킨다.
도 60b에서, Z-배향 테이퍼형 쐐기들(9603)이 완전히 삽입됨으로써, 릴레이 재료(9611)가 쐐기(9603)의 역 테이퍼 형상에 정합된다. 쐐기 쌍(9602 및 9603)이 재료에 삽입됨에 따라, 일련의 처리 단계들이 적용되며, 여기서 각 처리 단계는 열(9607)을 가하는 단계, 힘(9606)을 증가시킴으로써 압력을 가하는 단계, 열(9607)을 제거하는 단계, 힘(9606)을 감소시킴으로써 압력을 제거하는 단계, 및 촉매를 사용하거나 사용하지 않고 화학 반응을 사용하는 단계 중 하나로 구성된다. 유사하게, 도 54a 및 도 54b에서 수행된 공정에 대해, 도 60a 및 도 60b에 도시된 결과적인 정합된 에너지 릴레이(9611)는 재료(9611)의 가장 좁은 정합된 부분의 중간 지점에서 분리될 수 있고, 테이퍼형 쐐기(9602 및 9603)가 제거되면 2개의 테이퍼형 릴레이가 산출된다.
테이퍼형 에너지 릴레이를 제조하는 조정 가능한 벽 방법
도 61a는 에너지 릴레이 테이퍼가 형성될 수 있는 구속 공간을 한정하는 고정구(9800)의 단부도를 예시한다. 에너지 릴레이 테이퍼를 형성하는 방법은 복수의 벽(9802)에 의해 한정된 구속 공간의 주변부(9808)에 의해 한정된 릴레이 재료(9803)의 블록을 둘러싸는 복수의 연동 슬라이딩 벽(9802)으로 구성된 압축 고정구(9800)를 사용하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 주변부(9808)를 갖는 구속 공간을 한정하도록 4개의 조정 가능한 벽(9802)이 제공된다. 각각의 조정 가능한 벽(9802)은 형성될 테이퍼형 에너지 릴레이의 한 측면의 역 프로파일을 포함하며, 경사부(9825) 및 융기부(9826)(도 61c에 도시됨)를 포함한다. 일 실시예에서, 벽(9802)의 측면의 역 프로파일은 주변부(9803)를 갖는 구속 공간의 적어도 일부를 한정하는 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부는, 복수의 벽(9802)의 위치가 도 61a 내지 도 61c에 도시된 방법에 따라 서로에 대해 조정되기 때문에, 주변부(9808)를 포함하는 구속 공간의 가로 치수의 적어도 일부를 변경하도록 추가로 구성된다. 도 59c는 연동 슬라이딩 벽들(9802)을 갖는 에너지 릴레이 테이퍼 형성 고정구(9800)의 측면도를 도시하는 것으로, 각 벽 상에 기계 가공된, 형성된 테이퍼의 역 테이퍼 프로파일의 투시도를 보여주고 있고, 경사부(9825)을 보여주고 있다. 벽에 기계 가공된 테이퍼 프로파일의 융기된 편평한 부분(9826)은 도 61c에서 볼 수 있다. 일 실시예에서, 연접하는 벽들(9802)은 서로에 대해 수직으로 배향될 수 있다. 도 61c는 또한 벽들이 서로에 대해 상대적으로 움직일 수 있는 동시에 그들 사이에 간극이 형성되지 않는 채로 연접된 상태를 유지할 수 있도록 하는 방식으로 각각의 플레이트가 그의 이웃과 2개의 동일한 슬라이딩 부분(9811)(도 61c에서는 하나만 볼 수 있음)을 따라 연접하고 맞물리는 방법을 설명하는 것이다. 도 61a를 참조하면, 각 플레이트(9802)가 릴레이 재료의 횡단면에서 화살표(9804) 방향을 따라 두 직교 방향으로 이동하면, 임의의 인접한 벽들(9802) 사이에 간극이 나타남이 없이 벽들 사이의 공간이 수축될 수 있다. 도 61a 및 도 61c를 살펴보면, 각각의 벽이 단부 부분과 측면 부분을 포함하고, 제1 벽의 단부 부분은 이음매(9811) 상의 제2 벽의 측면 부분에 연접하여서 제1 방향으로 미끄럼 이동하도록 구성되고, 제1 벽의 측면 부분은 다른 이음매(9811) 상의 제3 벽의 단부 부분에 연접하여서 제2 방향으로 미끄럼 이동하도록 구성된다. 일 실시예에서, 돌출부(9826)는 연접하는 벽들(9802)이 돌출부의 형상의 역형상을 갖는 단부 부분들 상의 절결부(9811)와 협동하여 서로에 대해 미끄럼 이동하게 할 수 있다. 벽들(9802)의 측면 부분 및 단부 부분의 형상은 상기 미끄럼 이동 운동이 수행될 때에 인접한 벽들(9802) 사이에 간극이 없게 한다. 일 실시예에서, 부분들(9825, 9826)과 절결부(9811)에 의해 한정된 돌출부들은 복수의 조정 가능한 벽(9802) 각각에 대해 종 방향으로 동일한 위치에 배치된다. 도 61d는 에너지 릴레이 테이퍼 형성 고정구(9800)로 처리하기 전의 릴레이 재료(9803)의 블록을 도시하고 있다. 릴레이 재료(9803)는 직사각형 또는 대략 직사각형인 것으로 가정되며, 고정구(9800)를 형성하는 4개의 동일한 고정구 암들(9802)의 한가운데에 배치된다. 벽의 경사 프로파일의 편평한 융기 부분(9826)은 공정 시작 시 임의의 변형이 발생하기 전의 릴레이 재료(9803)의 측면들과 접촉할 것이다. 릴레이 재료(9803)는 가능하면 릴레이 재료에 열을 직접 가함으로써, 또는 전체 고정구(9800)를 가열함으로써, 또는 이들 둘 다에 의해 가열된다. 다음으로, 힘이 고정구(9802)의 벽에 화살표(9804)를 따라 점증적으로 가해진다. 각각의 화살표(9804)를 따라 힘뿐만 아니라 열을 가하는 것을 포함하는 일련의 처리 단계들을 이용하면, 이러한 화살표들 각각의 방향을 따라 각 벽(9802)의 점증적인 변위가 발생하고, 이는 릴레이 재료(9803) 주위의 벽들(9802)을 압축하여 릴레이 재료를 변형시키는 작용을 한다. 일 실시예에서, 모든 4개의 벽(9802)은 서로 공시적으로 동시에 이동한다. 다른 실시예에서, 힘이 각 플레이트에 개별적으로, 순환 할당(round-robin) 방식으로, 직렬 방식으로, 증분되게 가해진다. 일련의 처리 단계들이 적용되며, 여기서 각 처리 단계는 릴레이 재료 및/또는 고정구에 열을 가하는 단계, 힘(9804)의 선을 따라 압력을 가하는 단계, 열을 제거하는 단계, 힘(9804)을 감소시킴으로써 릴레이 상의 압력을 제거하는 단계, 및 촉매를 사용하거나 사용하지 않고 화학 반응을 사용하는 단계 중 하나로 구성된다. 일 실시예에서, 고정구(9800)는 열을 외부 열원으로부터 고정구 내에 구속된 릴레이 재료(9803)로 전달하도록 구성될 수 있으며, 이에 의하면 고정구(9800)를 가열하게 되면 재료(9803)가 효과적으로 가열되는 결과가 발생한다. 벽들이 힘(9804)으로 이동함에 따라, 벽 상의 경사 프로파일(9826)의 가장 융기된 부분이 먼저 릴레이 재료(9803)와 접촉하여, 그 릴레이 재료에 압력을 가하여서, 그 릴레이 재료를 변형시킬 것이다. 벽들이 더 이동함에 따라, 테이퍼 프로파일의 더 많은 부분이 릴레이 재료(9803)에 부과되어, 그 릴레이 재료를 압축하고 변형시킬 것이다. 전술한 테이퍼 형성 공정은 릴레이 재료의 세로 치수를 따라 적어도 하나의 위치를 따라서 감소된 가로 치수를 갖는 테이퍼형 에너지 릴레이 재료를 생성하는 데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 정합된 테이퍼형 에너지 릴레이 재료는 좁은 단부, 이 좁은 단부와는 다른 단면적을 갖는 대향하는 넓은 단부, 및 넓은 단부와 좁은 단부의 에지들을 연결하는 경사 벽들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 고정구(9800)의 구속 공간은, 좁은 단부들이 인접하고, 서로 반대로 배향된 2개의 정합된 테이퍼형 에너지 릴레이 형상으로 구성된 형상을 포함할 수 있다.
도 61b는 처리가 완료된 후의 벽들의 위치를 도시한다. 고정구의 벽들(9802)은 릴레이 재료(9803) 주위를 폐쇄하여, 릴레이 재료를 이의 세로 치수를 따라 슬라이딩 벽(9802)의 프로파일에 따른 다양한 크기로 수축시키고, 릴레이 재료를 새로운 형상(9813)으로 변형시킨다. 도 61e는 처리 단계들이 완료된 후의 결과적인 테이퍼형 릴레이(9813)를 도시한다. 테이퍼형 릴레이(9813)는 슬라이딩 벽(9802) 상의 경사 프로파일(9825)과 일치하는 경사부(9835), 슬라이딩 벽 상의 기계 가공된 편평한 융기부(9826)와 일치하는 테이퍼 목부 프로파일(9836), 및 슬라이딩 벽 상의 프로파일(9827)의 편평한 부분과 일치하는 테이퍼의 넓은 부분(9837)을 포함한다. 원하는 치수, 테이퍼 프로파일, 또는 종횡비를 가진 테이퍼형 릴레이는 9800과 유사한 대응하는 고정구를 사용하여 만들 수 있다.
결과적인 테이퍼형 릴레이(9813)는 고정구(9800)로부터 제거될 수 있고, 테이퍼 목부 프로파일 영역(9836)의 중간 지점에서 추가로 분할될 수 있으며, 그 결과, 서로 다른 단면적을 갖는 단부들로서, 이를 통해 전달되는 에너지의 공간적 확대 또는 축소를 허용하는, 단부들을 가지는 두 개의 테이퍼형 에너지 릴레이가 생성된다.
초기 에너지 릴레이 재료(9803)는 에너지 릴레이 재료를 제조하기 위한 본원에 설명된 방법들 또는 공정들 중 임의의 것에 의해 제공될 수 있다.
고정구(9800)의 실시예들에서, 다수의 개별 에너지 릴레이 재료들의 배열을, 고정구(9800)를 사용하여 테이퍼 형성하기 전에, 고정구(9800)에 의해 제공된 주변부(9808)를 갖는 구속 공간 내에서 융합 및/또는 이완시킬 수 있고, 이에 의하면 위에서 설명한 테이퍼 형성 공정에 사용될 수 있는 초기 융합 에너지 릴레이 재료가 제공된다. 이는 에너지 릴레이 재료들의 융합된 배열들을 융합 고정구로부터 전술한 고정구(9800)로 전송할 필요성을 없앨 수 있다.
위에서 설명되고 도 43 내지 도 61d에 예시된 방법에 있어서, 처리 단계 전반에 걸쳐 언급되는 에너지 릴레이 재료는 본원에서 앞서 설명된 임의의 재료일 수 있으며, 그 재료는, 재료의 횡단면에 컴포넌트 엔지니어링된 구조체들의 무작위 분포를 가진 재료, 재료의 횡단면에 컴포넌트 엔지니어링된 구조체들의 비무작위 분포를 가진 재료, 앤더슨 편재 유도 재료, 정렬된 에너지 편재 유도 재료, 광섬유 재료, 단일 중합체, 또는 상이한 중합체들의 혼합물 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 전술한 공정에 사용되는 재료는 임의의 한 세트 또는 유형의 재료로 제한되어서는 안 되며, 당업계에 공지되어 있거나 본원에 개시되어 있든지 간에 모든 에너지 릴레이 재료를 포함해야 한다.
또한, 도 62는 본 개시내용과 일치하는 에너지 릴레이 재료를 제공하기 위한 공정(6200)의 실시예를 예시한다. 이 공정(6200)에서, 에너지 릴레이 재료(6202)의 예비 성형체가 제공되며, 이는 본원에 설명된 에너지 릴레이 형성 방법에 사용하기에 적합하지 않은 치수를 갖는다. 에너지 릴레이 재료(6202)의 예비 성형체에 열(6206)을 가해서, 에너지 릴레이 재료(6202)를, 그 에너지 릴레이 재료(6202)가 그 에너지 릴레이 재료(6202)의 종단면에 수직인 횡단면뿐만 아니라 종단면(도면의 평면에 걸쳐 대략 좌측에서 우측으로 연장됨)에서의 증가된 성형성을 갖도록 한 온도까지, 가열한다. 위에서 설명한 온도에 도달한 후에는, 종 방향으로 배향된 인장력(6204)을 재료(6202)에 가하여서, 에너지 릴레이 재료(6202)가 본원에 설명된 추가 방법들에 사용하기에 적합한 원하는 종 방향 및 횡 방향 치수를 가질 때까지, 종단면을 따라서는 연신시키고 횡단면을 따라서는 감소시킨다.
본원에 개시된 원리에 따른 다양한 실시예들이 위에 설명되었지만, 이들은 단지 예로서 제시되었고 제한적이지 않다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명(들)의 폭 및 범위는 전술한 예시적인 실시예들 중 임의의 실시예에 의해 제한되지 않아야 하고, 본 개시내용으로부터 등록되는 청구범위 및 그의 균등물에 따라서만 정의되어야 한다. 또한, 상기 이점들 및 특징들은 설명된 실시예들에서 제공되지만, 이러한 등록되는 청구범위를 상기의 이점들 중 임의의 것 또는 모두를 달성하는 공정들 및 구조들에 적용하는 것으로 제한되지 않는다.
본 개시내용의 주요 특징들은 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 다양한 실시예들에서 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 통상의 기술자는 통상적인 실험을 이용하여 본원에 설명된 특정 절차에 대한 여러 균등물을 인지하거나, 확인할 수 있을 것이다. 이러한 균등물들은 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 간주되며, 청구범위에 포함된다.
추가적으로, 본원의 섹션 표제는 37 CFR 1.77 하의 제안과의 일관성을 위해 또는 그 외의 경우 구조적 단서를 제공하기 위해 제공된다. 이러한 표제는 본 개시내용으로부터 등록될 수 있는 임의의 청구항에 기재된 본 발명(들)을 제한하거나 특징짓지 않을 것이다. 구체적으로, 예를 들어, 표제가 "발명의 분야"를 지칭하지만, 이러한 청구항들은 소위 기술 분야를 설명하기 위하여 이러한 표제 하의 언어에 의해 제한되지 않아야 한다. 또한, "발명의 배경"에서의 기술에 대한 설명은 본 개시내용에서 해당 기술이 임의의 발명(들)에 대한 종래 기술임을 인정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. "요약"은 등록되는 청구항들에 기재된 본 발명(들)의 특징으로 간주되지 않는다. 또한, 본 개시내용에서 단수형 "발명"에 대한 임의의 언급은 본 개시내용에서 하나의 신규성 포인트만이 있다는 것을 주장하는 데 사용되어서는 안 된다. 본 개시내용으로부터 등록되는 다수의 청구항들의 제한들에 따라 다수의 발명들이 개시될 수 있으며, 따라서 그러한 청구항들은 그에 따라 보호되는 본 발명(들) 및 그들의 균등물들을 정의한다. 모든 경우, 이러한 청구항들의 범위는 본 개시내용에 비추어 그 자체의 이점으로 고려되어야 하며, 본원에 기재된 표제에 의해 제한되어서는 안 된다.
청구범위 및/또는 명세서에서 "포함하는"이라는 용어와 함께 사용될 때 "a" 또는 "an"을 사용하는 것은 "하나"를 의미할 수 있지만, "하나 이상", "적어도 하나" 및 "하나 또는 둘 이상"의 의미와도 일관된다. 본 개시내용은 단지 대안 및 "및/또는"을 언급하는 정의를 지지하지만, 청구범위에서의 용어 "또는"의 사용은, 대안적인 것만을 언급하거나 대안적인 것들이 상호 배타적이라는 것을 나타내는 것으로 명시적으로 표시되지 않는 한, "및/또는"을 의미하는 것으로 사용된다. 본 출원 전반에 걸쳐, 용어 "약"은 어떠한 값이, 값을 결정하기 위해 사용되는 장치, 방법에 대한 고유한 오차의 편차, 또는 연구 대상들 사이에 존재하는 변이를 포함한다는 것을 나타내기 위해 사용된다. 일반적으로, 앞의 설명에 따르면, "약" 또는 "실질적으로"와 같은 근사적인 단어에 의해 수정되는 본원의 값은 언급된 값으로부터 적어도 ±1%, ±2%, ±3%, ±4%, ±5%, ±6%, ±7%, ±10%, ±12% 또는 ±15%만큼 변할 수 있다. 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 바와 같이, "포함하는(comprising)"(및 "포함하다"와 같은 임의의 형태), "갖는"(및 "갖는다" 및 "가진다"와 같은 임의의 형태), "포함하는(including)"(및 "포함하다"와 같은 임의의 형태), "포함하는(containing)"(및 "포함하다"와 같은 임의의 형태)의 단어들은 포괄적 또는 개방형이며, 추가적인, 언급되지 않은 요소들 또는 방법 단계들을 배제하지 않는다.
"그 때", "균등한", "중에", "완료" 등과 같은 비교, 측정 및 타이밍의 단어들은 "실질적으로 그 때에", "실질적으로 균등한", "실질적으로 그 동안", "실질적으로 완료된" 등을 의미하는 것으로 이해해야 하며, 여기서 "실질적으로"는 이러한 비교, 측정 및 타이밍이 암시적으로 또는 명시적으로 언급된 원하는 결과를 달성하도록 실시 가능하다는 것을 의미한다. "근처", "가까이" 및 "인접한"과 같은 요소들의 상대적인 위치에 관한 단어들은 각각의 시스템 요소 상호작용들에 대한 중요한 효과를 갖기에 충분히 가깝다는 것을 의미한다. 유사하게, 근사화의 다른 단어들은 그렇게 변경될 때 반드시 절대적이거나 완벽하지는 않은 상태를 지칭하는 것으로 이해되지만, 통상의 기술자가 해당 상태를 존재하는 것으로서 지정하는 것을 보증하기에는 충분히 가까운 것으로 고려될 것이다. 해당 설명이 달라질 수 있는 범위는 얼마나 큰 변화가 제기될 수 있는지에 의존할 것이며, 여전히 통상의 기술자는 해당 변경된 특징이, 변경되지 않은 특징의 필요한 특성 및 능력을 여전히 갖고 있는 것으로서 인식할 것이다.
본원에 사용된 바와 같은 "또는 그의 조합"이라는 용어는 이 용어 앞에 기재된 나열된 항목들의 모든 순열 및 조합을 지칭한다. 예를 들어, "A, B, C, 또는 이들의 조합"은 A, B, C, AB, AC, BC, 또는 ABC 중 적어도 하나를 포함하도록 의도된 것이며, 특정 문맥에서 순서가 중요하다면 BA, CA, CB, CBA, BCA, ACB, BAC, 또는 CAB도 포함하는 것으로 의도된 것이다. 이 예를 계속 설명하면, BB, AAA, AB, BBC, AAABCCCC, CBBAAA, CABABB 등과 같이 하나 이상의 항목 또는 용어를 반복하여 포함하는 조합이 명시적으로 포함된다. 당업자는 통상적으로 문맥으로부터 명백하지 않는 한 임의의 조합의 항목 또는 용어의 수에 제한이 없다는 것을 이해할 것이다.
본원에 개시되고 청구된 모든 구성 및/또는 방법은 본 개시내용에 비추어 과도한 실험 없이 제조되고 실행될 수 있다. 본 개시내용의 구성 및 방법은 바람직한 실시예의 관점에서 기재되었지만, 본 개시내용의 개념, 사상, 및 범위를 벗어나지 않는 한, 그 구성 및/또는 방법에, 그리고 본원에 기재된 방법의 단계에 또는 일련의 단계에, 변형예가 적용될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 당업자에게 명백한 이러한 모든 유사한 대체예 및 변형예는 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 개시내용의 사상, 범위, 및 개념 내에 속하는 것으로 간주된다.
Claims (36)
- 에너지 릴레이로서,
서로 다른 에너지파 전파 특성을 갖고, 제1 및 제2 릴레이 표면을 갖는 구조체를 한정하도록 형성되는 제1 및 제2 재료를 포함하고,
상기 제1 및 제2 재료 각각은 상기 구조체의 상기 제1 및 제2 릴레이 표면 사이에서 연장되고 상기 구조체의 횡 방향을 가로질러 산재되어 있어, 상기 제1 및 제2 재료는 그 사이의 복수의 에너지 전파 경로를 따라 상기 제1 릴레이 표면과 상기 제2 릴레이 표면 사이에서 에너지를 중계하도록 작동 가능하고,
상기 복수의 에너지 전파 경로 중 제1 에너지 전파 경로는 상기 제1 릴레이 표면의 제1 영역을 통해 에너지를 방출 또는 수용하도록 작동 가능한 제1 단부 및 상기 제2 릴레이 표면의 제1 영역을 통해 에너지를 방출 또는 수용하도록 작동 가능한 제2 단부를 포함하고,
상기 제1 릴레이 표면의 상기 제1 영역은 제1 표면 법선을 갖고, 상기 제2 릴레이 표면의 상기 제1 영역은 제2 표면 법선을 갖고, 상기 제1 전파 경로들의 상기 제1 및 제2 단부는 각각 제1 및 제2 전파 경로 축을 갖고,
상기 제1 릴레이 표면의 상기 제1 영역을 통해 방출되거나 수용되는 에너지가 상기 제2 표면 법선 및 상기 제2 전파 경로 축과는 무관하게 상기 제1 표면 법선 및 상기 제1 전파 경로 축에 의해 각도 방향이 결정되는 제1 주광선을 갖고, 상기 제2 릴레이 표면의 상기 제1 영역을 통해 방출되거나 수용되는 에너지가 상기 제1 표면 법선 및 상기 제1 전파 경로 축과는 무관하게 상기 제2 표면 법선 및 상기 제2 전파 경로 축에 의해 각도 방향이 결정되는 제2 주광선을 갖는, 에너지 릴레이. - 제1항에 있어서, 상기 제1 릴레이 표면의 상기 제1 영역 및 상기 제2 릴레이 표면의 상기 제1 영역을 통해 방출 또는 수용되는 에너지는 상기 제1 릴레이 표면의 상기 제1 영역과 상기 제2 릴레이 표면의 상기 제1 영역의 상대적인 크기에 의해 결정되는 각각의 각도 범위를 갖는, 에너지 릴레이.
- 제1항에 있어서, 적어도 상기 제1 표면 법선과 상기 제1 전파 경로 축이 상이하거나, 또는 상기 제2 표면 법선과 상기 제2 전파 경로 축이 상이한, 에너지 릴레이.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료는 비무작위 패턴에 따라 상기 구조체의 상기 횡 방향을 가로질러 산재되어 있는, 에너지 릴레이.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료는 상기 구조체의 상기 횡 방향을 가로질러 무작위로 산재되는, 에너지 릴레이.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료는 상기 구조체의 상기 횡 방향을 가로질러 산재되어 복수의 코어 클래드 섬유를 형성하는, 에너지 릴레이.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료는 상기 구조체의 상기 횡 방향을 가로질러 산재되어 복수의 구배 지수 섬유를 형성하는, 에너지 릴레이.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 릴레이 표면 중 하나는 비평면이고, 상기 제1 및 제2 릴레이 표면 중 다른 하나는 실질적으로 평면인, 에너지 릴레이.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 릴레이 표면은 모두 비평면인, 에너지 릴레이.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 릴레이 표면은 모두 실질적으로 평면인, 에너지 릴레이.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료와 에너지파 전파 특성이 다른 적어도 하나의 추가 재료를 더 포함하는, 에너지 릴레이.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료 중 적어도 하나는 비고체 재료를 포함하는, 에너지 릴레이.
- 제1항에 있어서, 상기 에너지 릴레이의 상기 구조체는 적어도 하나의 가요부를 포함하는, 에너지 릴레이.
- 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 부분 가요부는 상기 제1 및 제2 릴레이 표면 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제1 및 제2 릴레이 표면 중 상기 적어도 하나의 상기 표면 법선은 가변적이고 상기 제1 및 제2 릴레이 표면 중 상기 적어도 하나의 상기 전파 경로 축도 또한 가변적인, 에너지 릴레이.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료는 서로 다른 파동 임피던스를 갖고 상기 제1 릴레이 표면과 상기 제2 릴레이 표면 사이에서 기계적 에너지를 전파하도록 배열되는, 에너지 릴레이.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료는 다수의 에너지 도메인의 에너지가 상기 제1 릴레이 표면과 상기 제2 릴레이 표면 사이에서 전송되도록 구성 및 배열되는, 에너지 릴레이.
- 제16항에 있어서, 다수의 에너지 도메인의 에너지는 광 에너지와 비-광 에너지를 포함하는, 에너지 릴레이.
- 제1항의 복수의 에너지 릴레이의 타일링을 포함하는, 심리스 에너지 시스템.
- 에너지 릴레이로서,
제1 릴레이 표면 및 제2 릴레이 표면을 갖는 에너지 릴레이 요소; 및
이들 사이에 복수의 에너지 전파 경로를 포함하고
상기 에너지 전파 경로들은 사전 결정된 배향을 갖고, 상기 에너지 전파 경로들의 상기 사전 결정된 배향 및 상기 제1 또는 제2 릴레이 표면 중 적어도 하나의 프로파일은 에너지가 기준 방향에 대해 실질적으로 원하는 각도 정렬 프로파일을 갖는 에너지의 원추들에서 상기 제1 또는 제2 릴레이 표면 중 상기 적어도 하나를 통해 방출 또는 수용되도록 처리되는, 에너지 릴레이. - 제19항에 있어서, 상기 에너지 릴레이 요소는 상이한 에너지파 전파 특성을 갖는 제1 및 제2 재료를 포함하고, 상기 제1 및 제2 재료는 상기 제1 및 제2 릴레이 표면을 갖는 구조체를 한정하도록 형성되고, 상기 구조체의 횡 방향을 가로질러 산재되는, 에너지 릴레이.
- 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료는 비무작위 패턴에 따라 상기 구조체의 상기 횡 방향을 가로질러 산재되어 있는, 에너지 릴레이.
- 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료는 상기 구조체의 상기 횡 방향을 가로질러 무작위로 산재되는, 에너지 릴레이.
- 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료는 상기 구조체의 상기 횡 방향을 가로질러 산재되어 복수의 코어 클래드 섬유를 형성하는, 에너지 릴레이.
- 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료는 상기 구조체의 상기 횡 방향을 가로질러 산재되어 복수의 구배 지수 섬유를 형성하는, 에너지 릴레이.
- 제20항에 있어서, 상기 에너지 릴레이 요소는 상기 제1 및 제2 재료와 에너지파 전파 특성이 다른 적어도 하나의 추가 재료를 더 포함하는, 에너지 릴레이.
- 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료 중 적어도 하나는 비고체 재료를 포함하는, 에너지 릴레이.
- 제20항에 있어서, 상기 에너지 릴레이 요소의 상기 구조체는 적어도 하나의 가요부를 포함하는, 에너지 릴레이.
- 제27항에 있어서, 상기 적어도 하나의 부분 가요부는 상기 제1 및 제2 릴레이 표면 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제1 및 제2 릴레이 표면 중 적어도 하나의 상기 표면 법선은 가변적이고 상기 제1 및 제2 릴레이 표면 중 상기 적어도 하나의 전파 경로 축도 또한 가변적인, 에너지 릴레이.
- 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료는 서로 다른 파동 임피던스를 갖고 상기 제1 릴레이 표면과 상기 제2 릴레이 표면 사이에서 기계적 에너지를 전파하도록 배열되는, 에너지 릴레이.
- 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제2 재료는 다수의 에너지 도메인의 에너지가 상기 제1 릴레이 표면과 상기 제2 릴레이 표면 사이에서 전송되도록 구성 및 배열되는, 에너지 릴레이.
- 제30항에 있어서, 다수의 에너지 도메인의 에너지는 광 에너지와 비-광 에너지를 포함하는, 에너지 릴레이.
- 제19항에 있어서, 상기 제1 및 제2 릴레이 표면 중 하나는 비평면이고, 상기 제1 및 제2 릴레이 표면 중 다른 하나는 실질적으로 평면인, 에너지 릴레이.
- 제19항에 있어서, 상기 제1 및 제2 릴레이 표면은 모두 비평면인, 에너지 릴레이.
- 제19항에 있어서, 상기 제1 및 제2 릴레이 표면은 모두 실질적으로 평면인, 에너지 릴레이.
- 제19항의 복수의 에너지 릴레이의 타일링을 포함하는, 심리스 에너지 시스템.
- 에너지 릴레이로서,
제1 표면 및 제2 표면을 갖는 에너지 릴레이 요소; 및
상기 제1 및 제2 표면 사이의 복수의 에너지 전파 경로를 포함하고,
상기 에너지 전파 경로들은 사전 결정된 배향을 갖고, 상기 에너지 전파 경로들의 상기 사전 결정된 배향 및 비평면 표면의 각각의 부수적 법선은 에너지가 상기 비평면 표면을 통해 중계되어 실질적으로 상기 에너지 릴레이 요소의 축상 방향에 대한 원하는 각도 정렬 프로파일을 갖는 에너지의 원추들에서 출사하도록 정렬되는, 에너지 릴레이.
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